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磁場と電磁誘導md ec27661
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磁場じばと電磁誘導でんじゆうどう

date2026-07-14document_iddoc_f7d9f98fb1078281f1e5a3cc91d4cf87description磁場を、電流が作る場、荷電粒子に力を及ぼす場、磁束変化で起電力を生む場として整理する講義である。prerequisites電流と回路 / 直流回路の基本法則 / 円運動と単振動type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/electromagnetism/ampere-law-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/electromagnetism/biot-savart-law-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/electromagnetism/motion-of-charged-particles.lecture.n.md / data/lecture/physics/electromagnetism/faraday-law-basics.lecture.n.md
physicselectromagnetismmagnetic-fieldinductionlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、磁場じばの 3 つの役割やくわりを区別くべつし、それぞれに対応たいおうする法則ほうそくを説明せつめいする。

  1. 電流でんりゅうは磁場じばを作つくる。
  2. 磁場じばは動うごく電荷でんかに力ちからを及およぼす。
  3. 磁束じそくが変かわると起電力きでんりょくが生しょうじる。

この順序じゅんじょで見みると、アンペールの法則ほうそく、ビオ・サバールの法則ほうそく、ローレンツ力りょく、ファラデーの法則ほうそくがばらばらではなくなる。

2用語ようごと定義ていぎ

磁束密度じそくみつどmagnetic flux density B→ とは、磁場じばの強つよさと向むきを表あらわすベクトルである。

磁束じそくmagnetic flux ΦB とは、面めんを貫つらぬく磁場じばの量りょうであり、

ΦB=∫SB→·dS→

で定義ていぎする。

電磁誘導でんじゆうどうelectromagnetic inductionとは、回路かいろを貫つらぬく磁束じそくが変化へんかすると起電力きでんりょくが生しょうじる現象げんしょうである。

3方針ほうしん

磁場じばの問題もんだいでは、問とわれているものを先さきに分わける。

  1. 電流でんりゅうから磁場じばを求もとめるなら、対称性たいしょうせいが強つよいかを見みる。
  2. 対称性たいしょうせいが強つよければアンペールの法則ほうそくを使つかう。
  3. 導線どうせんの形かたちを積分せきぶんしたいならビオ・サバールの法則ほうそくを使つかう。
  4. 荷電粒子かでんりゅうしの運動うんどうならローレンツ力りょくを使つかう。
  5. 起電力きでんりょくなら、磁場じばそのものではなく磁束じそくの変化へんかを見みる。

4関係式かんけいしき 1:一様磁場いちようじばでの磁束じそく

大おおきさ B の一様磁場いちようじばが、面積めんせき S の面めんの法線ほうせんと角かく θ をなすとき、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΦB=BScosθ

である。

4.1証明しょうめい

磁束じそくの定義ていぎは

ΦB=∫SB→·dS→

である。一様磁場いちようじばでは B→ は面めんのどこでも同おなじであり、平面へいめんでは dS→ の向むきも一定いっていである。したがって

B→·dS→=BcosθdS

である。よって

ΦB=∫SBcosθdS=Bcosθ∫SdS=BScosθ

を得える。

5関係式かんけいしき 2:磁場じばだけでは速はやさの大おおきさは変かわらない

磁場じばから受うけるローレンツ力りょくの磁場部分じばぶぶんが

FB→=qv→×B→

であるとき、磁場じばは荷電粒子かでんりゅうしに仕事しごとをしない。

5.1証明しょうめい

仕事率しごとりつは

P=FB→·v→

である。ここで

FB→=qv→×B→

は外積がいせきの性質せいしつにより v→ に垂直すいちょくである。したがって

P=(qv→×B→)·v→=0

である。仕事率しごとりつが 0 なので運動うんどうエネルギーは変化へんかしない。よって速はやさの大おおきさは変かわらない。

6基本法則きほんほうそくの予告よこく:磁束変化じそくへんかが起電力きでんりょくを生しょうむ

向むきを定さだめた回路かいろを貫つらぬく磁束じそくを ΦB とすると、誘導起電力ゆうどうきでんりょくは

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

で与あたえられる。

6.1位置いちづけ

これはファラデーの法則ほうそくとして採用さいようする基本法則きほんほうそくであり、このページでは全体像ぜんたいぞうを示しめすために置おく。証明済しょうめいずみの関係式かんけいしきとしては扱あつかわない。符号ふごうのマイナスは、誘導電流ゆうどうでんりゅうが磁束じそくの変化へんかを妨さまたげる向むきに流ながれることを表あらわす。これをレンツの法則ほうそくという。

このページでは全体像ぜんたいぞうとして使つかい、具体的ぐたいてきな証明しょうめいと適用てきようはファラデーの法則ほうそくのページで扱あつかう。

data/lecture/physics/electromagnetism/faraday-law-basics.lecture.n.md

7見分みわけ方かた

  • 長ながい直線電流ちょくせんでんりゅう、ソレノイド、トロイドならアンペール。
  • 円形電流えんけいでんりゅうや有限ゆうげんの導線どうせんならビオ・サバール。
  • 荷電粒子かでんりゅうしの半径はんけいや周期しゅうきならローレンツ力りょく。
  • 導体棒どうたいぼう、コイル、磁場じばの時間変化じかんへんかならファラデー。

8どこまで成立せいりつするか

アンペールの法則ほうそくの単純たんじゅんな形かたちは定常電流ていじょうでんりゅうで使つかう。ファラデーの法則ほうそくは時間変化じかんへんかする磁場じばまで扱あつかう。さらに電場でんばの時間変化じかんへんかも磁場じばを作つくることを含ふくめると、マクスウェル方程式ほうていしきに進すすむ。

9最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΦB=∫SB→·dS→
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]FB→=qv→×B→
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")][PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]E=-dΦBdt

10一言ひとこと

磁場じばは、電流でんりゅうが作つくり、動うごく電荷でんかを曲まげ、変化へんかすると電場でんばと起電力きでんりょくを生しょうむ。

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