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マクスウェル方程式の入口md 62c27a1
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マクスウェル方程式ほうていしき入口いりぐち

date2026-07-14document_iddoc_a8e77a63368ed9b82383bd9f04090aaddescriptionマクスウェル方程式を電場と磁場の流束・循環を記述する統一法則として整理し、既習の個別法則との関係を証明する講義である。prerequisitesガウスの法則の基本 / アンペールの法則の基本 / ファラデーの法則の基本 / 電流と回路type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/electromagnetism/electromagnetism-portal.lecture.n.md / data/lecture/physics/electromagnetism/gauss-law-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/electromagnetism/ampere-law-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/electromagnetism/faraday-law-basics.lecture.n.md
physicselectromagnetismmaxwell-equationslecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、マクスウェル方程式ほうていしきを「むずかしい 4 ほんしき」としてではなく、電場でんば磁場じばの 2 つの性質せいしついたものとして解説かいせつする。

その 2 つとは、

  1. めんをどれだけつらぬくか、すなわち流束りゅうそく
  2. 閉曲線へいきょくせん沿ってどれだけめぐるか、すなわち循環じゅんかん

である。電場でんば磁場じばについて、この流束りゅうそく循環じゅんかんくと、電磁気でんじき基本法則きほんほうそくが 4 ほんにまとまる。

2用語ようご定義ていぎ

マクスウェル方程式ほうていしきMaxwell's equationsとは、電場でんば E磁場じば B が、電荷でんか電流でんりゅう時間変化じかんへんかとどうむすびつくかをあらわ方程式ほうていしきである。

ここでは真空中しんくうちゅう積分形せきぶんけい使つかう。

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]SE·dS=Qinε0
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]SB·dS=0
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]CE·dl=-ddtSB·dS
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]CB·dl=μ0Ienc+μ0ε0ddtSE·dS

ここで Cめん S境界きょうかいである。

3方針ほうしん

4 ほんは、暗記あんきではなくいでける。

  1. 電場でんば流束りゅうそくは、電荷でんかまる。
  2. 磁場じば流束りゅうそくは、閉曲面へいきょくめん合計ごうけいすると 0 になる。
  3. 電場でんば循環じゅんかんは、磁束じそく時間変化じかんへんかまる。
  4. 磁場じば循環じゅんかんは、電流でんりゅう電束でんそく時間変化じかんへんかまる。

4法則ほうそく 1:1 本目ほんめはガウスの法則ほうそくである

マクスウェル方程式ほうていしき

SE·dS=Qinε0

は、電場でんばについてのガウスの法則ほうそくである。

4.1証明しょうめい

ガウスの法則ほうそくでは、閉曲面へいきょくめん Sつらぬ電束でんそくが、その内側うちがわ電荷でんか Qin により

SE·dS=Qinε0

あたえられるとべた。マクスウェル方程式ほうていしきの 1 本目ほんめはこれとおなしきである。したがって 1 本目ほんめはガウスの法則ほうそくである。

5整理せいり 2:2 本目ほんめ磁荷じかがないことをあらわ

SB·dS=0

は、磁場じばせん閉曲面へいきょくめんなかはじまったりわったりしないことをあらわす。

5.1証明しょうめい

電場でんばでは、正電荷せいでんかから電場でんばせんて、負電荷ふでんかはいる。そのため閉曲面へいきょくめんとお流束りゅうそく総量そうりょうは、内部ないぶ電荷でんかまる。

一方いっぽう磁場じばについては単独たんどく磁荷じか仮定かていしない。磁場じばせんじるか、そとからはいってそとる。したがって閉曲面へいきょくめんはいりょうりょうい、

SB·dS=0

となる。これは磁荷じかがないという主張しゅちょう流束りゅうそくいたものである。

6法則ほうそく 3:3 本目ほんめはファラデーの法則ほうそくである

CE·dl=-ddtSB·dS

は、磁束じそく時間変化じかんへんか誘導起電力ゆうどうきでんりょくしょうむというファラデーの法則ほうそくである。

6.1証明しょうめい

回路かいろ沿起電力きでんりょくは、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]E=CE·dl

である。磁束じそく

ΦB=SB·dS

である。したがって 3 本目ほんめ

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]E=-dΦBdt

おなじである。これはファラデーの法則ほうそくである。

7法則ほうそく 4:4 本目ほんめはアンペールの法則ほうそく一般化いっぱんかである

電束でんそく時間変化じかんへんか無視むしできるとき、

CB·dl=μ0Ienc+μ0ε0ddtSE·dS

CB·dl=μ0Ienc

もどる。

7.1証明しょうめい

電束でんそく

ΦE=SE·dS

時間じかん変化へんかしないなら、

dΦEdt=0

である。したがって 4 本目ほんめだい 2 こう

μ0ε0dΦEdt=0

となる。よって

CB·dl=μ0Ienc

る。これは定常電流ていじょうでんりゅうについてのアンペールの法則ほうそくである。

8関係式かんけいしき 5:変位電流へんいでんりゅうはコンデンサーの矛盾むじゅん

充電中じゅうでんちゅうのコンデンサーでは、極板間きょくばんかん導線電流どうせんでんりゅうはないが、変化へんかする電場でんば磁場じばつくる。

8.1証明しょうめい

コンデンサーを充電じゅうでんする導線どうせんには電流でんりゅう Iながれる。極板きょくばんたくわえられる電荷でんかQ とすると、

I=dQdt

である。

極板間きょくばんかん電場でんばについてガウスの法則ほうそく使つかうと、電束でんそく

ΦE=SE·dS=Qε0

である。したがって

ε0dΦEdt=ε0ddt(Qε0)=dQdt=I

である。

つまり、極板間きょくばんかんでは導線電流どうせんでんりゅうとおらないが、

Id=ε0dΦEdt

という変位電流へんいでんりゅう導線電流どうせんでんりゅう Iおな役割やくわりたす。したがってめんかたによってアンペールの法則ほうそく結果けっかわるという矛盾むじゅん解消かいしょうされる。

9見分みわかた

  • 静電場せいでんばなら 1 本目ほんめ主役しゅやくである。
  • 静磁場せいじばなら 4 本目ほんめから定常ていじょうのアンペールの法則ほうそくる。
  • 電磁誘導でんじゆうどうなら 3 本目ほんめである。
  • コンデンサーの充電じゅうでん電磁波でんじはでは、変位電流へんいでんりゅう無視むししない。

10どこまで成立せいりつするか

ここでは積分形せきぶんけいだけをあつかった。微分形びぶんけいすすむには、発散はっさん回転かいてん、ガウスの定理ていり、ストークスの定理ていり必要ひつようである。また物質中ぶっしつちゅうでは、分極ぶんきょく磁化じかふくめて D,H使つかかたもある。

11最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]SE·dS=Qinε0
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]SB·dS=0
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]CE·dl=-ddtSB·dS
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]CB·dl=μ0Ienc+μ0ε0ddtSE·dS

12一言ひとこと

マクスウェル方程式ほうていしきは、電場でんば磁場じば流束りゅうそく循環じゅんかんくことで、電磁気でんじき個別法則こべつほうそくを 1 つにたばねる。

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