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静電磁場の計算

今迄、いくつかの静電磁場の例を示してきたが、 これらの例は、ほとんど点対称、線対称といったきわめて対称性の高いものであった。 対称性が高いと、静電場の場合にはガウスの法則が使えるし、 静磁場の場合にはアンペールの法則が使える。 しかし、一般の電磁場の解析は容易ではない。

それでは、与えられた条件での電磁場を計算するには、 どの式をどのように使えばよいのであろうか。 本節では、静的な電磁場の計算手法について説明する。 静的であると、まず、時間微分がすべて0となるので、 マクスウェル方程式は、電場と磁場に関し、完全に独立となるので、 それぞれ独立に決定できることになる。

物質のない場合の電場計算、つまり、電荷が動くことなく独立に存在する場合には、 電場はクーロンの法則を用いて電荷から決定できる。 本書に示した少ない例では、ガウスの法則を使って電界を求めているが、 こうした作業ができるのは、電荷分布が球状、 円柱状、平面状といった対称性のよい場合だけである。 一般の形状では、クーロンの法則の法則を使って、 各電荷の作る電場をコンピュータによって加算(積分)するしかない。 磁場の場合も、対称性のよい場合にはアンペールの法則が利用できるが、 一般にはビオ・サバールの法則による各線分の作る磁場を、 コンピュータによって加算(積分)するしかない。

物質が存在すると、これらの計算は一層面倒となる。 電場の場合には、導体と誘電体が関係する。 実は導体は誘電率が無限大の誘電体として扱うことができる。 ただし、導体には電荷を帯電させることができる。 このため、正負の電気量の差が、導体全体で一定となるという条件が成立する。 一方、誘電体では、正負の電気量の差は0となる。 いずれにせよ、対称性がよければ、ガウスの定理を利用できるが、 一般の場合にはコンピュータを駆使せざるを得ない。

初期状態、つまり計算の前提としては、 いくつかの導体上に決まった量の自由電荷が与えられるか、 いくつかの導体の電位が与えられるか、 これらの複合であることが多い。 しかし、電位が与えられている場合でも、 まず導体上に適当な量の自由電荷を仮定する。 そして、クーロンの法則を利用して、全体の電場を計算する。 この最初の計算結果では、導体内に電場が残ったりする。

この計算の結果、導体の電位(どこか代表点の電位)が不適正の場合には、 自由電荷を補充/削減する。 導体内で電場が残っている場合には、電場の方向へ、電荷移動を行う。 また誘電体で内部で電場がある場合には、それに比例して分極ベクトルを生成し、 それによる分極電荷を誘電体表面に生成する。 そして、全電荷を使って、電場を再計算する。 これを繰り返すことで、収束した結果が、求める静電場となる。 この計算の仕方は、まさに、実際の電荷が移動していって、 静電場が確定する過程のシミュレーションそのものである。 この他にも、いくつかの手法が提案されているが、本質的には、 ここに述べたものと同じ作業をしていると理解してよいであろう。

磁場の場合には、導体上の自由電流が与えられている場合がほとんどであり、 鎖交磁束が与えられることはほとんどない。 仮に鎖交磁束が与えられる場合でも、静電場のやり方に準じて計算すればよい。 自由電流が与えられるといっても、 導体内の分布状況までが与えられることはないので、 やはり、最初は、自由電流を導体内の適切な位置に仮定する。 そして、ビオ・サバールの法則を用いて、全体の磁場を計算する。

この計算の結果、導体内に磁場が残る場合は、ローレンツ力にしたがって、 自由電流の位置を導体内で移動する。 また、磁性体の内部では、磁場に比例して磁化ベクトルを生成し、 それによる磁化電流を磁性体表面に生成する。 そして、全電流を使って、磁場を再計算する。 これを繰り返すことで、収束した結果が、求める静磁場となる。 この計算の仕方は、まさに、実際の電流が移動していって、 静磁場が確定する過程のシミュレーションそのものである。

かって、コンピュータが身近になかったころは、 色々手の込んだ複雑な電磁界解析の手法が提案されたが、 強力なコンピュータが身近に手に入るようになった現在、 こうした計算は、ほとんど、実際に起きている現象をシミュレーションすることで、 成されるようになっている。

なお、これ以外の手法としては、電場、磁場の代わりに、 スカラーポテンシャル、ベクトルポテンシャルを計算する手法があるが、 本質的には、ここに述べたものと、大きな変化はない。


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Yoichi OKABE 平成21年7月3日