[PR]占いｻｲﾄの全てがここに:個別診断で貴方だけの悩みが占えます！
5. electromagnetic wave
電磁気
５．電磁波
５.１ マックスウェル方程式
変位電流
アンペールやファラデーらが発見した電気・磁気の法則はマックスウェルによって完成される。これまでに学んだ法則では、まだ、次のようなことを説明できない。
このとき、導線のまわりには電流によって磁界が生じるが、キャパシタによって導線が途切れているところはどうなるだろうか？
アンペールの法則
によると、キャパシタのまわりには磁界ができないはずなのだが、実際には磁界は生じる。
電界が磁界を作るように、アンペールの法則を拡張しなければならない。電流について考察すると、ある閉曲面をつらぬいて電流が流れているということは、その面をつらぬいて単位時間にどれだけの電荷が移動しているかということなので、
となる。電荷の移動によって変化する電界は、ガウスの法則
によって決まる。
この式は、電荷の移動はキャパシタの極板間の電界の変化を生じさせ、電界の変化が反対側の極板に伝わり、反対側の極板に電荷の移動を引き起こす、というかたちで変化が伝わっていくことを表している。また、電流に着目すると、電流は導線の中では電荷の移動という形を取り、キャパシタの極板間では電界の変化というかたちで伝わっていくと考えるべきである。このように、電界の変化として伝わる電流を変位電流(displacement current)という。
このような考察が、マックスウェルによってなされ、アンペールの法則が修正されることになった。変位電流を考慮した法則はアンペール・マックスウェルの法則と言われ、
である。
マックスウェル方程式
マックスウェルは電気・磁気の法則をまとめて、以下に示す４個の法則ですべての現象を説明できることを示した。この４つの式をマックスウェル方程式(Maxwell equations)という。
電界のガウスの法則（電束の始点終点は電荷）
閉曲面から出ていく電束の垂直成分をたしあわせると内部の電荷の和に等しい。
電気力線は閉曲面に出るのと入るのが等しくなくても良い。力線に湧き出しと吸い込みがある。
電気力線（電束）の始点・終点が電荷である。
磁界のガウスの法則（磁束に始点終点はない）
閉曲面から出ていく磁束の垂直成分をたしあわせるといつもゼロになる。（磁荷がないから）
磁力線は閉曲面に出るのと入るのがいつも等しい。磁力線には湧き出しや吸い込みはない。
磁力線は必ず輪になる。始点・終点はない。
アンペールの法則（電流のまわりをまわるように磁界ができる）
とじた経路に沿って磁束の接線成分を足しあわせると、経路を貫く電流に等しい。
（時間的に変化する電界）と（電流）はその回りに磁界を作る。
磁界は電界の変化と電流によって作られる。
ファラデーの法則（時間変化する磁界はまわりをまわる電界を作る）
閉じた経路に沿って電界の接線成分をたしあわせると経路を貫く磁束の時間変化に等しい。
１周回って元に戻ってくる電気力線は磁界の時間変化によって作られる。（電荷によって作られる電気力線は、どこかへ行ってしまう力線）
マックスウェル方程式は、電荷はあるが磁荷はない、ということを除いて、電界と磁界が完全に対称になっている。つまり、電束と磁束、誘電率と透磁率を入れ替えると電界と磁界が入れ替わる。
マックスウェルはさらに、これらの式から電磁界が波動を生じることを数学的に導いた。きちんと導くと難しくなるので、その道筋をおおざっぱにたどってみよう。
直感的には電磁波が存在する理由は次のように理解すると良い。
波は変化が有限は速さで、つぎつぎと隣へ伝わっていくときに生じる。
電流の大きさや向きが時間とともに変化するとき、電流の回りには磁界ができ、その磁界は時間的に変化する。磁界の変化は輪になった電界をまわりに作る。電界の変化は輪になった磁界を作る。電界が磁界を作り、磁界は電界を作り、鎖のようになってつながって遠くへ伝わっていく。その結果、電磁界の変化は波となって伝わっていく。電磁界の波を電磁波(electromagnetic wave)という。
”５.２ 電磁波の存在 ”へすすむ
”５．電磁波 ”へもどる
”電磁気”へもどる