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電場でんじょう

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電界でんかいから転送てんそう
電場でんじょう
electric field
りょう記号きごう E
次元じげん M L T−3 I−1
種類しゅるい ベクトル
SI単位たんい N/C
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電場でんじょう効果こうかによってかみ逆立さかだっている少女しょうじょ彼女かのじょれているのはヴァンデグラフ起電きでんである。

電場でんじょう(でんば)または電界でんかい(でんかい)(えい: electric field)は、電荷でんかちからおよぼす空間くうかん性質せいしつひとつ。E文字もじ使つかってあらわされることがおおい。電荷でんかちからであり単位たんいは[N/C]など。理学りがくけいでは「電場でんじょう」、工学こうがくけいでは「電界でんかい」ということがおおい。また、でんたば密度みつど明確めいかく区別くべつするために「電場でんじょうつよさ」ともいう。時間じかんによって変化へんかしない電場でんじょうせい電場でんじょう(せいでんば)またはせい電界でんかい(せいでんかい)とよぶ。

電界でんかい強度きょうど電位でんい勾配こうばい相当そうとうし、単位たんいを[V/m]とすることもある。電界でんかい強度きょうど分布ぶんぷながさで積分せきぶんすると電位差でんいさ電圧でんあつられる。たとえばアンテナ実効じっこうちょう平均へいきん電界でんかい強度きょうどとのせきはアンテナのさそえ起電きでんあつとなる。

定義ていぎ

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空間くうかん自由じゆう電子でんし存在そんざいしない空間くうかん絶縁ぜつえん空間くうかん)のあるてんに、せい単位たんい電荷でんかりょうをもつ電荷でんか(それを試験しけん電荷でんかという)を静止せいしさせていたとき、その電荷でんかしょうじるであろう電磁気でんじきてきちからを、そのてんにおける電場でんじょう定義ていぎする。

電磁気でんじきてきちから電荷でんかりょう比例ひれいすることが実験じっけんによりられている。したがって、 位置いち rいて電荷でんか q電荷でんかはたらちからF とすると定義ていぎにより以下いかしきつ。

なお、電磁でんじポテンシャルもちいて以下いかのようにあらわされる。

φふぁい:スカラーポテンシャルA:ベクトルポテンシャル

電場でんじょう定義ていぎもちいる試験しけん電荷でんかは, 周囲しゅうい電荷でんか移動いどうさせないとかんがえる。

巨視的きょしてきおおきさをもち周囲しゅうい誘電ゆうでんたいしのけるような荷電かでん物体ぶったいけるちからは、誘電ゆうでん体内たいない電場でんじょうではなくでんたば密度みつどによってまる。

電場でんじょうたす方程式ほうていしき

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クーロンの法則ほうそく

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空間くうかんじょう位置いち r0電荷でんか Qく。さらに位置いち r電荷でんか qく。電荷でんか静止せいししている場合ばあいに、電荷でんか q電荷でんか Q からけるちからは、

となる。これをクーロンの法則ほうそくという。ここで、真空しんくう誘電ゆうでんりつである。 これに電場でんじょう定義ていぎをあわせてかんがえると、

となる。これは電荷でんか Qつくせい電場でんじょうである。

マクスウェル方程式ほうていしき

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電場でんじょうはベクトルじょうであり、発散はっさん回転かいてん分解ぶんかいできる。

でんたば密度みつど発散はっさん電荷でんか密度みつどρろーひとしい。

これはマクスウェル方程式ほうていしきひとつであるガウスの法則ほうそくである。

電場でんじょうE回転かいてん磁場じばB変動へんどう相当そうとうする。

これはマクスウェル方程式ほうていしきひとつであるファラデーの法則ほうそくである。

伝播でんぱ速度そくど電場でんじょう磁場じばとの関係かんけい

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特殊とくしゅ相対そうたいろんしたがい、電場でんじょう伝播でんぱ速度そくど光速こうそく c とされる。

また、てんじょうのソース(電荷でんか)がはっする電場でんじょう静止せいし同心円どうしんえんじょうひろがるが、ソースが運動うんどうするときはその移動いどう速度そくどおうじて同心円どうしんえんじょうからずれた、いがんだ分布ぶんぷ電場でんじょうとなる。

これらの影響えいきょう正確せいかく計算けいさんするためにはほんこうのクーロンそくや、せいでんポテンシャルによる記述きじゅつでは不十分ふじゅうぶんであり、リエナール・ヴィーヘルト・ポテンシャル導入どうにゅうする必要ひつようがある。

電場でんじょうのエネルギー

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原点げんてん中心ちゅうしんたまから電荷でんかq半径はんけいr0微小びしょうたまと、中心ちゅうしんから無限むげんとおまでびる円錐えんすい仮定かていし、この円錐えんすい半径はんけいr球面きゅうめん切断せつだんした面積めんせきS(r)とする。微小びしょうだま円錐えんすいまじわる微小びしょうめん面積めんせきS0微小びしょうだま電荷でんかめん密度みつどσしぐまとすると、ガウスの法則ほうそくより

である。

ここで、この微小びしょうめんじょう電荷でんかσしぐまS0無限むげんとおからこの微小びしょうだまじょうはこぶのにようする仕事しごとであるが、さき結果けっかより

である。

これをぜん球面きゅうめんじょう積分せきぶんすれば、微小びしょうだまじょう電荷でんかq無限むげんとおから微小びしょうだままでにはこぶのにようする仕事しごと、つまりこの微小びしょうだまじょう電荷でんかによってしょうじるポテンシャルもとめることができる。とおくと、なので、これは電荷でんかによってしょうじた電場でんじょうエネルギー密度みつどエネルギーたくわえていると解釈かいしゃくできる。

これは実際じっさいに、蓄電ちくでんしたキャパシタまい導体どうたいあいだ体積たいせきと、キャパシタにたくわえられたエネルギーを比較ひかくすることで検証けんしょうすることができる。

関連かんれん項目こうもく

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