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動的な場

あと二つの重要な法則は、動的なものである。 まず、磁場が変化するとき、 そのまわりを取り囲む配線上に起電力(electro-motive force)が生ずるというもので、 次のファラデーの法則(Faraday law)で与えられる。

$\displaystyle \oint_{\text C}d\boldsymbol{r}\cdot\boldsymbol{E} =-\D{}t\int_{\text S}d\boldsymbol{S}\cdot\boldsymbol{B}$ (12)

ここでSは任意の閉曲線Cによって囲まれた曲面である。 この法則は、最初は配線の存在する場合に確認されたが、 やがて、配線のない空間にも電場が発生し、それが上式を満たすことが確認された。 この法則を考慮し、電場の回転は修正され、 式1.5および式1.6には 磁場の影響が組み込まれる。
$\displaystyle (\boldsymbol{E}$の回転の積分形$\displaystyle )$ $\displaystyle \hspace{3em}$ $\displaystyle \oint_{\text S}d\boldsymbol{S}\times\boldsymbol{E}=-\D{}t\int_{\text V}dV\,\boldsymbol{B}$ (13)
$\displaystyle (\boldsymbol{E}$の回転の微分形$\displaystyle )$ $\displaystyle \hspace{3em}$ $\displaystyle \mathop\emph{\text{rot}}\nolimits \boldsymbol{E}=-\D{\boldsymbol{B}}t$ (14)

最後の法則として、電流については電荷の減少につながるという 電流連続の法則(current continuity law)が成立する。

$\displaystyle (\boldsymbol{J}$の発散の積分形$\displaystyle )$ $\displaystyle \hspace{3em}$ $\displaystyle \oint_{\text S}d\boldsymbol{S}\cdot\boldsymbol{J}=-\D{}t\int_v dv\,\rho$ (15)
$\displaystyle (\boldsymbol{J}$の発散の積分形$\displaystyle )$ $\displaystyle \hspace{3em}$ $\displaystyle \mathop\emph{\text{div}}\nolimits \boldsymbol{J}+\D\rho t=0$ (16)

これに矛盾しないようにするためには、磁場の回転を修正する必要があり、 式1.8および式1.9は次式のようになる。
$\displaystyle (\boldsymbol{B}$の回転の積分形$\displaystyle )$ $\displaystyle \hspace{3em}$ $\displaystyle \oint_{\text S}d\boldsymbol{S}\times\boldsymbol{B}=\mu_0\int_{\text V}dV\left(\boldsymbol{J}
+\varepsilon_0\D{\boldsymbol{E}}t\right)$ (17)
$\displaystyle (\boldsymbol{B}$の回転の微分形$\displaystyle )$ $\displaystyle \hspace{3em}$ $\displaystyle \mathop\emph{\text{rot}}\nolimits \boldsymbol{B}=\mu_0\boldsymbol{J}+\mu_0\varepsilon_0\D{\boldsymbol{E}}t$ (18)

1.18の右辺に現れる電場の時間微分 $ \varepsilon_0\partial\boldsymbol{E}/\partial t$は、 変位電流(displacement current)と呼ばれ、マクスウェル(Maxwell)が理論的に導入したものである。

$ \boldsymbol{E}$ $ \boldsymbol {B}$の発散、回転を与える微分型の四つの式は、 マクスウェル方程式(Maxwell equations)と呼ばれ、電磁気学の基礎方程式である。


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Yoichi OKABE 平成21年7月3日