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電磁気学


基 礎 物 理 学 選 書 質 点 の 力 学 ( 改 訂 版 ) 量 子 論 ( 改 訂 版 ) 質 点 系 ・ 剛 体 の 力 学 ( 改 訂 版 ) 7. 9. 17. 23. 原 原 原 瓜 田 瓜 田 近 中 阿 神 花 長 編 集 委 員 会 金 原 寿 郎 ・ 原 島 2. 小 出 昭 5. 小 出 昭 郎 著 浩 著 清 著 清 著 高 著 蔵 著 青 著 敏 著 哲 著 蔵 著 ズ 固 編 著 鮮 ・ 野 上 茂 吉 郎 ・ 押 田 勇 雄 ・ 西 川 哲 治 ・ 小 出 昭 一 郎 1. 原 3. 原 4. 小 藤 - 8. 有 里 10. 市 12. 金 15. 佐 18. 原 19. 市 21. 小 出 昭 24. 武 島 島 島 生 生 辺 島 島 : 城 . 敏 : 山 正 沢 達 村 原 寿 藤 島 村 ー 出 日 召 鮮 郎 鮮 郎 孝 美 浩 郎 洋 鮮 郎 著 著 著 著 著 著 著 著 著 著 著 編 と 波 円 円 3296 2781 2369 円 2781 量 子 力 学 (I)(II)( 改 訂 版 ) 熱 振 物 統 情 量 熱 カ 動 波 動 ー 固 体 を 性 員 問 中 心 、 と し た 計 力 学 ( 改 訂 版 ) 電 磁 気 学 い ) (11) 報 理 論 ( 改 訂 版 ) 子 力 学 演 習 学 演 習 ー 熱 力 学 電 磁 気 学 演 習 熱 学 演 習 ー 統 計 力 学 ( 改 訂 版 ) 22. 野 上 茂 吉 郎 ( I ) 2472 ( II ) 2472 2369 2987 2575 3090 ( I ) 3399 ( Ⅱ ) 3399 3296 2472 2884 2987 3399 2369 里 田 典 ロ ロ 典 浩 鮮 鮮 鮮 田 著 著 著 カ カ カ カ 光 素 学 演 粒 習 学 子 暁 著 著 著 著 学 ( 三 訂 版 ) 学 ( I ) 質 点 ・ 剛 体 の 力 学 学 (II) 解 析 カ 理 ・ エ 基 礎 カ 理 ・ エ 基 礎 解 析 カ 理 ・ エ 基 礎 量 子 力 大 正 榮 小 野 寺 嘉 孝 著 洋 小 出 昭 一 郎 編 著 理 ・ エ 基 礎 解 3090 3193 2575 円 2266 2163 1957 2163 1957 2369 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 小 出 昭 藤 山 部 部 村 郎 淳 敏 哲 勉 編 著 介 著 著 著 著 著 著 勉 編 著 冫 子 物 カ 電 熱 冫 カ 固 熱 磁 統 体 体 物 理 の た め の カ 計 物 応 理 本 斤 王 里 と ・ 用 数 王 里 カ プ 〕 波 学 1957 2163 2369 2163 2472 2781 2678 2369 2575 1854 近 中 阿 ネ 申 花 長 岡 村 部 部 山 藤 正 榮 振 : 基 礎 ~ 寅 、 習 シ ′ リ ー ー ス ・ シ リ ー ー ズ 、 基 礎 ~ 寅 習 シ リ ー ー ス ・ 基 礎 演 習 基 礎 演 習 シ ・ リ ー ー ス - 基 石 ~ 寅 習 シ - リ ー - . ス ・ 基 礎 ~ 寅 習 シ ′ リ ー ー ス ・ - 基 礎 ~ 寅 習 基 礎 演 習 シ リ ー ー - ス ・ 基 礎 ー 寅 習 動 物 カ / ノ ル 熱 熱 電 著 磁 気 カ 統 計 カ イ 本 カ 体 物 理 小 野 寺 嘉 孝 著 岡 洋 介 物 理 の た め の 応 用 数 学 振 動 と 波 1854 1957 2060 2163 円 2369 2266 2163 2266 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円 円

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著 者 略 歴 1936 年 福 岡 県 出 身 . 1963 年 東 京 大 学 大 学 院 数 物 系 研 究 科 博 士 課 程 卒 業 . 東 京 大 学 教 養 学 部 助 手 , 九 州 大 学 教 養 部 助 教 授 , 教 授 を 経 て , 現 在 同 理 学 部 教 授 . 1977 ~ 78 年 , 米 国 プ ラ ウ ン 大 学 客 員 教 授 . 専 攻 は 固 体 物 理 学 . 理 学 博 士 . 主 な 著 書 ・ 訳 書 : 「 静 電 誘 導 」 , 「 電 磁 誘 導 」 , パ イ エ ル ス 「 理 論 物 理 秘 伝 集 」 ( 以 上 共 立 出 版 ) , プ ロ ヒ ン ツ ェ フ 「 量 子 力 学 1 , 2 」 ( 共 訳 , 東 京 図 書 ) , ジ ェ ル デ フ 「 対 称 性 と そ の 応 用 」 ( 共 訳 , 講 談 社 ) , 基 礎 演 習 シ リ ー ズ 「 電 磁 気 学 」 ( 裳 華 房 ) , 「 環 境 理 解 の た め の 熱 物 理 学 」 ( 共 著 , 朝 倉 書 店 ) 磁 印 略 社 団 法 人 示 し て あ り ま す . 定 価 は カ バ ー に 表 電 検 省 行 者 一 戸 万 発 行 ・ 子 ・ 1986 年 12 月 10 日 1995 年 10 月 5 日 第 1 版 発 行 ⑥ 第 13 版 発 行 著 作 者 印 刷 所 製 本 所 発 な か 中 や ま 山 野 ま さ 正 達 と し 敏 治 東 京 f ・ 代 Ⅲ 区 四 番 町 ト 地 電 話 東 京 3 2 6 2 9 1 6 6 ~ 株 式 会 社 裳 華 房 壮 光 舎 印 刷 株 式 会 社 板 倉 製 本 印 刷 株 式 会 社 自 然 科 学 書 協 会 会 員 囮 く 日 本 複 写 権 セ ン タ ー 委 託 出 版 物 〉 本 書 の 全 部 ま た は 一 部 を 無 断 で 複 写 複 製 ( コ ヒ 。 ー ) す る こ と は , 著 作 権 法 上 で の 例 外 を 除 き , 禁 し ら れ て い ま す . く わ し く は 日 本 複 写 権 セ ン タ ー ( 03 ー 3401 ー 2382 ) に ご 相 談 く だ さ い Printed in Japan ISBN 4 ー 7853 ー 2026 ー 5

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は し が き う ヾ も の で あ る の か , イ メ ー ジ を 作 り , 考 え な が ら 読 み 進 ん で い た だ き た い 本 書 に も 「 - ー ー を 一 一 と い う 」 と い う よ う な 文 章 が た く さ ん 出 て く る が , そ れ ら は 要 す る に 理 論 を 進 め て 行 く 上 に 必 要 な 言 葉 の 定 義 で あ る . そ れ ら を 暗 記 す る こ と は , 物 理 の 本 筋 の 勉 強 で は な い . 忘 れ た ら 見 れ ば よ い だ け の こ と で あ る . そ れ よ り も 大 事 な こ と は , 対 象 に つ い て イ メ ー ジ を 持 ち , そ の 上 に 立 っ て 基 本 法 則 の 考 え 方 を し つ か り と 会 得 す る こ と で あ る . 本 書 に は 本 文 中 に い く つ か の 小 問 が 用 意 し て あ る . こ れ ら は , 理 解 を 確 か め た り 数 値 上 の 感 じ を つ か む た め の も の で , 即 答 で き る も の ば か り で あ る か ら , 面 倒 が ら ず に そ の 場 で 解 き な が ら 進 ん で い た だ き た い . そ の こ と が , 電 磁 場 に な じ み , イ メ ー ジ を 作 る の に も 大 い に 役 立 つ で あ ろ う . 各 章 の 末 尾 に は 演 習 問 題 を 付 し た . さ ら に , 姉 妹 書 基 礎 演 習 シ リ ー ズ 「 電 磁 気 学 」 に は , も っ と た く さ ん の 問 題 が 扱 っ て あ る . し か し , 演 習 問 題 を 解 く こ と は , あ く ま で も 物 理 を 理 解 す る た め の 手 段 で あ り , そ れ 自 体 が 目 的 で は な い . 本 書 を 書 く に あ た っ て , 長 年 に わ た っ て 恩 師 ・ 先 輩 ・ 同 僚 ・ 友 人 の 皆 さ ん か ら 受 け た 学 恩 を 想 い , あ ら た め て 感 謝 の 気 持 を 述 べ た い . 特 に , 小 出 昭 一 郎 , 白 鳥 紀 ー の 両 氏 に は , 原 稿 の 一 部 分 を 読 ん で 御 助 言 い た だ い た こ と を 深 謝 し た い . 本 書 の 出 版 に あ た っ て お 世 話 に な っ た 裳 華 房 編 集 部 の 真 喜 屋 実 孜 , 小 林 雅 子 の 両 氏 , そ の 他 の 皆 さ ん に 厚 く 御 礼 を 申 し 述 べ た い . 1986 年 11 月 中 山 正 敏

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234 ◆ ◆ 7. 電 磁 波 か ら 電 気 が 生 じ る に 違 い な い と い う 勘 と , そ れ に 執 着 す る 集 中 力 と , ス イ ッ チ 開 閉 の 際 の 起 電 力 を 見 逃 さ な い 注 意 深 い 観 察 力 と に よ る こ と は 確 か で あ る . し か し , そ れ だ け で は な い . 磁 カ 線 と い う 新 し い 概 念 を 考 え 出 し , そ の 運 動 に よ っ て 起 電 力 が 発 生 す る と い う 生 き 生 き と し た 描 像 に よ っ て 一 挙 に 事 の 本 質 を つ か み と っ た 豊 か な 想 像 力 , そ れ を 巧 み に 実 証 し て い っ た 実 行 カ こ そ が , 彼 を 電 磁 場 の 開 拓 者 と し た も の で あ ろ う . 実 際 , フ ァ ラ デ ー の 研 究 の 真 価 は し ば ら く は 理 解 さ れ な か っ た . 多 く の 物 理 学 者 達 は , 電 荷 や 電 流 ( 素 片 ) 間 の 力 学 に よ っ て , 電 磁 気 現 象 を 説 明 し よ う と し て い た . こ れ は , 当 時 の 物 理 学 の お 手 本 は 力 学 で あ っ た か ら で あ る . w. ト ム ソ ン は 「 力 学 的 に 説 明 さ れ な い か ぎ り , わ か っ た よ う な 気 が し な い 」 と い っ た そ う だ が , こ れ が 当 時 の 物 理 学 者 の 気 持 で あ っ た の だ ろ う . マ ク ス ウ ェ ル は , フ ァ ラ デ ー と は 対 照 的 に , 10 歳 の 時 か ら エ ジ ン バ ラ ・ ア カ デ ミ ー の 会 合 に 出 席 し , 14 歳 で 王 立 協 会 に 論 文 を 投 稿 し た と い う 神 童 で あ っ た . エ ジ ン バ ラ , ケ ン プ リ ッ ジ の 両 大 学 に 学 び , 24 歳 で ニ ュ ー ト ン が 昔 い た ト リ ニ テ ィ ・ カ レ ッ ジ の フ ェ ロ ー に な っ た . 彼 は , フ ァ ラ デ ー が 導 入 し た 磁 カ 線 や 電 気 力 線 の 運 動 と い う 描 像 に , 今 日 見 ら れ る よ う な 数 学 的 な 表 現 を 与 え て 電 磁 気 学 の 理 論 を 作 り 上 げ た . し か し , 彼 に し て も , 最 初 か ら カ 線 そ の も の を 物 理 的 実 体 と し て 扱 っ た の で は な く , さ ま ざ ま な 力 学 的 模 型 を 仮 想 し , そ れ を 手 が か り に し て 考 え を 進 め た の で あ る . た と え ば , 磁 カ 線 は 渦 の よ う に 回 転 し て い る も の で , そ れ に 狭 ま れ た 電 荷 粒 子 が 隣 接 す る 渦 の 回 転 速 度 が 変 化 す る と き に 動 き 出 す の が 電 磁 誘 導 起 電 力 に あ た る , と い う よ う な こ と を 想 像 し て い る . こ の " 粒 子 " の 変 位 に よ る 電 流 が 変 位 電 流 öD / 房 に あ た る . し か し , 1865 年 の 論 文 「 電 磁 場 の 動 力 学 的 理 論 」 が 完 成 す る と , 余 分 な 力 学 的 模 型 は 姿 を 消 し て い る . そ れ で も な お , 電 磁 場 は エ ー テ ル と い う 未 知 の 媒 質 の 運 動 に よ る も の と 考 え ら れ て い た . 真 空 中 の 電 磁 場 が , そ れ 自 身 で 物 理 的 対 象 ー ー も の と し て 扱 わ れ る よ う に な る に は , 相 対 性 理 論 に よ る エ ー テ ル の 否 定 が 必 要 で あ っ た . マ ク ス ウ ェ ル は , 「 フ ァ ラ デ ー が 数 学 者 で な か っ た こ と は , お そ ら く 科 学 に と っ て 幸 運 な こ と で あ っ た 」 と い っ た そ う だ . 味 わ う べ き 言 葉 で は な か ろ う か . フ ァ ラ デ ー が や っ た こ と , 考 え た こ と は , 「 フ ァ ラ デ ー 電 気 実 験 」 ( 上 , 下 ) , 矢 島 祐 利 , 稲 沼 瑞 穂 共 訳 ( 内 田 老 鶴 圃 新 社 , 1980 ) で 読 む こ と が で き る . マ ク ス ウ ェ ル の こ と も 含 め て 電 磁 気 学 の 歴 史 に つ い て は , 矢 島 祐 利 : 「 電 磁 理 論 の 発 展 史 」 ( 河 出 書 店 , 1947 ) , ホ イ テ ッ カ ー 「 エ ー テ ル と 電 気 の 歴 史 」 ( 上 , 下 ) , 霜 田 光 一 , 近 藤 都 登 共 訳 ( 講 談 社 , 1976 ) が あ る .

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新 . 9 磁 気 モ ー メ ン ト と 回 転 運 動 お = ク じ >< 召 と 場 B に よ っ て 与 え ら れ る . 151 ( 5.23 ) 静 電 場 の 場 合 に は , 電 荷 が 真 空 中 に 作 る 場 E が 基 本 量 で あ っ て , 場 D は 誘 電 体 の 場 を 扱 う た め に 導 入 し た 補 助 量 で あ る と 見 る こ と が で き る . 静 磁 場 の 場 合 に , ス ピ ン 磁 気 モ ー メ ン ト が 作 る 磁 場 が も っ と も 要 素 的 な も の で あ る と 考 え れ ば , E に 対 応 す る 基 本 量 は ″ で あ る . こ の 考 え 方 を E ー ″ 対 応 と い う . こ れ に 対 し て , 電 流 が 作 る 磁 場 を 要 素 的 現 象 と 考 え れ ば , B を 基 本 量 と す る E ー 召 対 応 と い う 考 え 方 に な る . 電 磁 気 学 の 理 論 を 体 系 化 し よ う と す る と き , 割 切 っ て ど ち ら か の 立 場 に 立 て ば , 話 の 筋 道 は す っ き り す る . そ の よ う に し て 書 か れ て い る 教 科 書 も 数 多 く あ る . 特 に 最 近 は , E ー 召 対 応 の 立 場 で 書 か れ て い る 本 が 多 い . し か し , 本 書 で は こ れ ま で 述 べ て き た よ う に 2 つ の 立 場 を 併 立 さ せ て き た . 電 磁 気 現 象 の 全 体 を 場 の 法 則 と し て は じ め て ま と め 上 げ て い く た め に は , 磁 気 モ ー メ ン ト で 発 生 ・ 消 滅 す る 磁 カ 線 , 電 流 の 作 る 閉 じ た 磁 束 線 の 両 方 の イ メ ー ジ を し つ か り と つ か ん で お く こ と が ま ず 大 切 で あ る , と 思 う か ら で あ る . 両 者 の い ず れ が よ り 要 素 的 か と い う こ と は , 好 み や 便 宜 の 問 題 で は な く , ス ピ ン 磁 気 モ ー メ ン ト と 微 小 電 流 の ど ち ら が 要 素 的 か と い う 物 理 的 な 問 に 答 え て は じ め て 決 め ら れ る こ と で あ る . こ の 点 に つ い て は 次 節 で 考 え る . 次 章 で 述 べ る よ う に , 電 磁 誘 導 に よ っ て 生 じ る 電 場 の 電 気 力 線 は 閉 曲 線 を な す . さ ら に , 7.1 で は , 場 の 運 動 と い う 見 方 か ら す る と , ビ オ ー ー サ バ ー ル の 法 則 に よ っ て 作 ら れ る 磁 場 は , 電 磁 誘 導 に よ る 電 場 と 同 じ 性 質 の も の で あ る こ と が 示 さ れ る . 磁 場 一 つ と っ て も 自 然 の 奥 行 き は 深 い . 5.9 磁 気 モ ー メ ン ト と 回 転 運 動 コ イ ル に 沿 っ て 流 れ る 電 流 は 盟 = 色 バ の 磁 気 モ ー メ ン ト を も つ . 電 流 を 電 荷 の 運 動 に 分 解 し て 考 え る と , あ る 軌 道 に 沿 っ て 電 荷 が 回 転 運 動 を す る と き , 磁 気 モ ー メ ン ト を も っ と い っ て も よ い . 回 転 運 動 を 表 わ す 力 学 量 は 角 運 動 量 で あ る . そ こ で , 電 荷 の 角 運 動 量 と 磁 気 モ ー メ ン ト と の 関 係 を 調 べ て み よ う . 5 ー 48 図 の よ う に , 半 径 % の 円 軌 道 に 沿 っ て , 電 荷 ク , 質 量 襯 の 粒 子 が 等 速

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あ る . 138 5. 静 磁 場 こ の 磁 束 が 電 流 に お よ ば す 力 は , 単 位 長 さ あ た り 12 ム / 2 2 ( 5.38 ) と な る . マ イ ナ ス 符 号 は , ム > 0 の と き , す な わ ち 電 流 が 同 じ 向 き の と き に 引 力 が は た ら く こ と を 意 味 し て い る . ム / 2 < 0 , す な わ ち 電 流 の 向 き が 互 い に 逆 な ら ば , 力 は 斥 力 と な る . [ 問 6 ] ム = / 2 = 20 A, 〃 = 10 cm の と き , 単 位 長 さ あ た り の カ の 大 き さ を 求 め よ . [ 答 : 8 x 1 『 4 N] 本 書 で 用 い て い る 国 際 単 位 系 で は , 式 ( 5.38 ) の 力 を 用 い て 電 流 の 単 位 ア ン ペ ア (A) を 定 義 す る . す な わ ち , lm へ だ て た 同 じ 大 き さ の 平 行 電 流 の 間 に / 2 = 2 >< 10 ー 7 N の 力 が 作 用 し て い る と き , そ の 電 流 の 大 き さ を 1 A と 定 義 す る の で あ る . こ れ を 電 磁 気 の 基 本 単 位 と し , そ の 他 の 諸 量 の 単 位 は ア ン ペ ア か ら 誘 導 す る . 磁 気 的 な 量 に つ い て い え ば , 召 の 単 位 は 磁 気 力 か ら N/Am= T , 〃 の 単 位 は 召 = A / m で あ る . 磁 荷 と 磁 場 の 関 係 式 か ら , 磁 荷 の 単 位 Wb は J/A と な る . 電 荷 の 単 位 は 1 C = 1 A s と 定 め る . し か し , こ の よ う に い ろ い ろ な 単 位 の 間 の 関 係 を 整 理 し て 体 系 化 す る こ と は , 最 初 に 電 磁 気 学 を 学 ぶ と き に は あ ま り 深 く は こ だ わ ら ず に 一 つ の 約 束 事 と し て 受 け と っ て お け ば よ い . そ れ よ り も , 種 々 の 物 理 量 の 間 の 関 係 を 単 位 も 含 め て よ く 理 解 し て , 持 ち ネ タ を 豊 富 に し て お く こ と が 大 切 で あ る . そ れ で こ そ 体 系 化 す る こ と の 意 味 も 理 解 で き る と い う も の で あ ろ う . 5.6 ア ン ペ ー ル の 法 則 電 流 の 作 り 出 す 磁 束 密 度 B(C) の 磁 束 線 は , 必 ず 閉 曲 線 と な っ て い る . し た が っ て , こ の 磁 束 線 自 身 に 沿 っ て 召 ( ) の 接 線 成 分 を 一 周 積 分 す る と , 0 で は な い 値 と な る . 召 ( ) は 電 流 の 大 き さ / に 比 例 し て い る か ら , こ の 積 分 値 は / に 比 例 し て い る .

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206 7. 電 磁 波 磁 場 に つ い て の ガ ウ ス の 法 則 は , 磁 石 に よ る も の に せ よ , 電 流 に よ る も の に せ よ 召 れ dS = 0 で あ る . 一 方 , 誘 導 磁 場 に つ い て は , 拡 張 さ れ た ア ン ペ ー ル の 法 則 = / 十 d?lf が 成 り 立 つ . 磁 石 に よ る 磁 場 の 上 式 左 辺 積 分 は 0 で あ る . ( 7.7 ) ( 7.8 ) こ の よ う に , 電 場 や 磁 場 の 由 来 に は い く つ か あ る が , い っ た ん 作 ら れ た 電 場 と 磁 場 に つ い て は , そ れ ぞ れ を 合 成 し た も の に つ い て 式 ( 7.5 ) ~ ( 7.8 ) が 起 源 に 関 係 な く 成 り 立 つ . こ の 意 味 で , こ の 4 つ の 式 は 電 場 と 磁 場 の 基 本 方 程 式 で あ る . こ れ ら の 式 は , こ れ ま で く わ し く 述 べ て き た よ う に , さ ま ざ ま の 電 磁 気 現 象 に 関 す る 実 験 事 実 を 電 磁 場 と い う 概 念 に よ っ て 記 述 し よ う と す る 試 み の 中 か ら 導 き 出 さ れ た も の で あ る . そ の 過 程 で は , Faraday に よ る 電 気 力 線 や 磁 カ 線 の 運 動 と い う イ メ ー ジ が , わ れ わ れ の 思 考 を 導 く も の と し て と り わ け 役 立 っ た . こ の Faraday の イ メ ー ジ に 数 学 的 表 現 を 与 え , こ こ に 見 る よ う な 形 に 定 式 化 し た の は マ ク ス ウ ェ ル で あ っ た . そ こ で , こ の 4 つ の 方 程 式 を マ ク ス ウ ェ ル の 方 程 式 と い う . 逆 に , こ の 方 程 式 か ら 出 発 し て , す べ て の 電 磁 気 現 象 を 記 述 し , 予 見 す る こ と が で き る . そ れ は , ち ょ う ど ニ ュ ー ト ン の 運 動 方 程 式 に よ っ て す べ て の 力 学 現 象 を 表 わ す こ と が で き る の と 同 じ で あ る . マ ク ス ウ ェ ル の 方 程 式 を 実 際 に 扱 う に は , D と E, 召 と 〃 の 関 係 が 与 え ら れ ね ば な ら な い . こ れ ら は , 物 質 中 の 電 場 と 磁 場 に 関 す る 定 義 か ら D = 60E 十 召 = ″ 十 ( 7.9 ) ( 7.10 ) に よ っ て 与 え ら れ る . 物 質 の 電 気 分 極 や 磁 気 分 極 は , そ れ ぞ れ 電 場 や 磁 場 の 関 数 で あ る . そ れ ら は , 物 質 の 電 気 的 性 質 , 磁 気 的 性 質 を 表 わ す も の で , 物 質 の 種 類 や 温 度 な ど の 状 態 に 応 じ て 定 ま る . こ の 関 係 が 簡 単 な 比 例 関 係 の 場 合 に は ,

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7. 電 232 変 換 則 は , 度 の 短 縮 も あ る こ と が わ か っ て い る . 2 磁 波 こ れ ら を 考 慮 す る と , 座 標 や 時 間 の 間 の 2 ( 7.80 ) 2 2 と な る . こ れ を ロ ー レ ン ツ 変 換 と い う . た だ し じ の 方 向 を ェ 軸 と し た . 座 標 系 Ⅱ に お け る E'(r', の , H'(r', の に 対 す る マ ク ス ウ ェ ル 方 程 式 の 形 は , 座 標 系 I に お け る E(), t), H(), の に 対 す る も の と ま っ た く 同 じ 形 に な る . し た が っ て , そ れ か ら 導 か れ る 電 磁 波 の 存 在 も , 光 の 速 度 の 値 も , 座 標 系 に よ ら な い . こ の よ う に , ら な E, 丑 な ど の 物 理 量 は 座 標 系 に 相 対 的 で , 座 標 系 が 変 れ ば 値 は 変 換 さ れ る . し か し そ れ ら の 量 の 間 の 関 係 で あ る 物 理 法 則 の 形 は , 座 標 系 に よ ら ず に 絶 対 的 な 意 味 を も っ て い る . こ れ は 相 文 引 生 原 理 の 考 え 方 で あ る . 電 磁 気 の 法 則 は , こ の 原 理 を 満 た し て い る 例 で あ る . こ う し て , 電 磁 場 の 相 対 性 の 問 題 を 考 え つ め て い く と , 相 対 性 理 論 へ 導 か れ る . 逆 に 相 対 性 理 論 か ら 出 発 し て 種 々 の 電 磁 現 象 を 説 明 す る こ と も で き る . 相 対 性 理 論 を 勉 強 し た 後 で , も う 一 度 電 磁 気 学 を 振 り 返 っ て み る と , 新 し い 理 解 が 得 ら れ よ う . 題 1. 名 方 向 を 向 い た 電 気 双 極 子 盟 が え 軸 上 を 速 度 で 運 動 し て い る . ェ 軸 上 原 点 か ら 4 の 距 離 に あ る 点 P に お け る 磁 場 の 時 間 変 化 を 求 め よ . 2. 任 意 の 閉 曲 面 内 の 分 極 電 荷 は Qp お で 与 え ら れ る ( 式 ( 3.6 ) ). 分 極 電 荷 密 度 の = ー div で あ る こ と を 示 せ . 3. 波 動 方 程 式 ( 7.37 ) の 一 般 解 は , Ey = / ( ェ ー ct ) + g ( ェ + (t) と 書 け る . (a) を 求 め よ , ( b ) ェ = 0 に 導 体 面 が あ る と き , の 形 を 求 め よ . 4. 一 様 な 金 属 中 で は , D = EE, E= が 成 り 立 つ . こ の と き , 式 ( 7.37 ) は 次 の

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は し が 111 き 大 学 初 年 級 で 学 ぶ 古 典 物 理 学 の な か で も , 電 磁 気 学 は と り わ け 難 物 と さ れ て い る よ う で あ る . 「 力 学 は と も か く と し て , 電 磁 気 は 苦 手 な ん で す よ 」 と こ ば す 学 生 諸 君 の 声 を と き ど き 耳 に す る . こ れ に は さ ま ざ ま な 理 由 が あ ろ う が , 電 磁 気 学 で は 対 象 の 直 観 的 イ メ ー ジ が 作 り 難 い こ と が 大 き な 障 害 と な っ て い る よ う で あ る . 力 学 で は , と に か く 物 体 が 空 間 の 中 を 動 い て 行 く こ と を 見 る と い う 日 常 経 験 か ら 出 発 し て 考 え る こ と が で き る . し か し , 電 場 や 磁 場 は 直 接 見 え る わ け で は な い . 電 流 す ら も , 感 電 と い う 怖 し い 体 験 を 通 し て し か 実 感 で き な い . い き お い , 初 め か ら 抽 象 的 に 考 え て 行 か ざ る を え な い . し か も 電 磁 場 の 法 則 は , 力 学 の 法 則 よ り も 数 学 的 に は ず っ と 複 雑 な べ ク ト ル の 場 と い う 形 を し て い る . 筆 者 も 九 州 大 学 で も う 二 十 年 近 く も 初 年 級 の 物 理 を 教 え て い る が , 電 磁 気 の 部 分 を ど の よ う に 話 す か に つ い て は 苦 心 し て 来 た . そ の 経 験 に 立 脚 し て , 少 し で も わ か り や す い 教 科 書 を と 思 っ て 書 い た の が 本 書 で あ る . わ か り や す く , と は い っ て も 電 磁 気 学 の 本 筋 が 電 磁 場 の 法 則 に あ る 以 上 , そ れ を 理 解 す る と い う 正 攻 法 を 避 け る わ け に は い か な い . そ こ で , 本 書 で は , 電 場 や 磁 場 を で き る だ け も の 、 、 の よ う に 扱 っ て , そ の 法 則 を 調 べ て 行 く こ と に 重 点 を 置 い た . そ の た め に , 数 式 よ り も ま ず , 電 気 力 線 や 磁 カ 線 に よ っ て 場 を 直 観 的 に 捉 え る よ う に し た . ガ ウ ス の 法 則 や ア ン ペ ー ル の 法 則 も , こ れ ら の カ 線 の 法 則 と し て ま ず 説 明 す る よ う に 努 め た . こ れ に 平 行 し て 数 学 的 な 説 明 や 計 算 法 の 紹 介 も 行 な う わ け で あ る が , そ の 場 合 に も で き る だ け 場 の イ メ ー ジ を ふ く ら ま せ , 発 展 さ せ の 卒 直 な 御 批 判 を お 待 ち し た い . 集 者 の 協 力 を 得 て 工 夫 し て み た . て 行 く よ う に 努 め た つ も り で あ る . こ れ ら の 試 み が 成 功 し た か ど う か , 読 者 諸 氏 ま た , 説 明 の た め の 図 も 数 多 く 用 意 し , 編 こ の 本 で 電 磁 気 学 を 勉 強 す る 学 生 諸 君 は , な に よ り も 電 場 や 磁 場 と は ど う い

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2 1. 静 電 場 (electricity) と い う 言 葉 を 作 っ た . ギ リ シ ャ 語 で は コ ハ ク の こ と を エ レ ク ト ロ ン と い う か ら で あ る . こ の 言 葉 を 使 え ば , 異 な る 物 体 を こ す り 合 わ せ る と 摩 擦 電 気 が 発 生 す る , と い う . い ろ い ろ な 事 例 を 整 理 し て い く と , 摩 擦 電 気 に は 2 つ の 種 類 が あ る こ と が わ か っ た . す な わ ち , 絹 の 布 で こ す っ た ガ ラ ス 棒 に 生 じ る 電 気 を 正 電 気 , 毛 布 で こ す っ た 工 ポ ナ イ ト 棒 に 生 じ る 電 気 を 負 電 気 と い う . ー っ の 現 象 が あ る と き , そ の 背 後 に は 物 質 的 な か ら く り が あ り , そ の 担 い 手 と な っ て い る “ も の ” が あ る , と 物 理 学 で は 考 え る . そ れ に し た が っ て , 電 気 現 象 の 担 い 手 と し て 電 荷 と い う も の が あ る と 考 え る . 絹 の 布 で こ す っ た ガ ラ ス 棒 は 正 の 電 荷 を も ち , 毛 皮 で こ す っ た ェ ポ ナ イ ト は 負 の 電 荷 を も つ . 電 荷 の 間 に は た ら く 力 を 電 気 力 と い う . 正 電 荷 同 士 や 負 電 荷 同 士 の 間 に は 斥 カ , 正 電 荷 と 負 電 荷 の 間 に は 引 力 の 電 気 力 が は た ら く . 電 気 力 の 性 質 を 定 量 的 に 精 密 に 研 究 し た の は CouIomb ( ク ー ロ ン ) で あ る . CouIomb は , 電 荷 を も っ た 2 つ の 小 さ な 物 体 の 間 に は た ら く 力 を , 電 荷 や 距 離 を 変 え て 測 定 し た . そ の 結 果 , 物 体 の 大 き さ が 無 視 で き る ほ ど 小 さ い と 理 想 化 し て 考 え た 2 つ の 点 電 荷 の 間 に は た ら く 電 気 力 は , 次 の よ う な 法 則 に し た が う こ と が AB (b) 1 ー 1 図 A B qB く O 引 斥 qA > 0 カ カ BA 電 気 力 わ か っ た . 点 A に 電 荷 点 B に 電 荷 の が あ る と し よ う ( 1 ー 1 図 ). (A) 電 気 力 は 点 電 荷 を 結 ぶ 直 線 AB に 沿 っ て は た ら く . ( B ) 作 用 ・ 反 作 用 の 法 則 が 成 り 立 つ . す な わ ち , に は た ら く 力 と の に は た ら く 力 と は , 大 き さ と 方 向 は 等 し く , 向 き は 逆 で あ る . ( C ) 力 の 大 き さ は , 電 荷 と の の 積 に 比 例 し 距 離 rAB の 2 乗 に 反 比 例 す る . 式 で 書 け ば ク A の 2 ( 1.1 )