(1) 無限に長い直線電流の磁束密度
アンペールの法則は、定常電流について、閉曲線に沿う B \bm B B の線積分が、その曲線を貫く電流の μ 0 \mu_0 μ 0 倍に等しいことを表す。電流が時間によらないことが成立条件である。この法則だけでは B \bm B B の向きが決まらないので、対称性で成分を絞る。B r B_r B r は、z z z 軸まわりの円筒面にガウスの法則 ∇ ⋅ B = 0 \nabla\cdot\bm B=0 ∇ ⋅ B = 0 を使うと、2つの底面の寄与が打ち消し合い、側面だけが残って 2 π r h B r = 0 2\pi rh\,B_r=0 2 π r h B r = 0 となるから 0 0 0 である。B z B_z B z は、r z rz r z 面内の長方形の経路に使うと、経路が電流を囲まないので B z ( r 1 ) = B z ( r 2 ) B_z(r_1)=B_z(r_2) B z ( r 1 ) = B z ( r 2 ) が出る。遠方で 0 0 0 になるため B z ≡ 0 B_z\equiv0 B z ≡ 0 である。
別の導き方として、ビオ・サバールの法則を使い、点 ( r , 0 , 0 ) (r,0,0) ( r , 0 , 0 ) で μ 0 I 4 π ∫ − ∞ ∞ r d z ′ ( r 2 + z ′ 2 ) 3 / 2 = μ 0 I 4 π ⋅ 2 r \dfrac{\mu_0I}{4\pi}\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}\dfrac{r\,dz'}{(r^2+z'^2)^{3/2}}=\dfrac{\mu_0I}{4\pi}\cdot\dfrac2r 4 π μ 0 I ∫ − ∞ ∞ ( r 2 + z ′2 ) 3/2 r d z ′ = 4 π μ 0 I ⋅ r 2 を計算しても、同じ結果になる。
次元は μ 0 I / r \mu_0I/r μ 0 I / r で T である。数値例は I = 1 I=1 I = 1 A、r = 2 r=2 r = 2 cm で 10.0 μ 10.0\ \mu 10.0 μ T である。誤りは、係数を取り違えるもので、円電流の中心の式 μ 0 I / ( 2 r ) \mu_0I/(2r) μ 0 I / ( 2 r ) を使うと 31.4 μ 31.4\ \mu 31.4 μ T、μ 0 I / ( 4 π r ) \mu_0I/(4\pi r) μ 0 I / ( 4 π r ) とすると 5.0 μ 5.0\ \mu 5.0 μ T になる。磁束密度の向きを動径方向 r ^ \hat{\bm r} r ^ と書く誤りもある。電流を囲む向きの ϕ ^ \hat{\bm\phi} ϕ ^ である。
(2) a) 円電流の z z z 軸上の磁束密度
軸上では、円周上のどの素片も P から同じ距離 R R R にあり、d l ⊥ R d\bm l\perp\bm R d l ⊥ R で寄与の大きさが等しい。軸に垂直な成分は、向かい合う素片で打ち消す。軸方向の成分は、素片の寄与の a / R a/R a / R 倍だけ残る。分子の a 2 a^2 a 2 は周長 2 π a 2\pi a 2 π a の a a a と残る割合 a / R a/R a / R の a a a に由来し、分母の ( a 2 + z 2 ) 3 / 2 = R 3 (a^2+z^2)^{3/2}=R^3 ( a 2 + z 2 ) 3/2 = R 3 はビオ・サバールの R − 2 R^{-2} R − 2 と割合の R − 1 R^{-1} R − 1 の積に由来する。
極限で確かめる。z = 0 z=0 z = 0 では円の中心の値 μ 0 I / ( 2 a ) \mu_0I/(2a) μ 0 I / ( 2 a ) になる。∣ z ∣ ≫ a |z|\gg a ∣ z ∣ ≫ a では B z → μ 0 I a 2 2 ∣ z ∣ 3 B_z\to\dfrac{\mu_0Ia^2}{2|z|^3} B z → 2∣ z ∣ 3 μ 0 I a 2 となり、(2)b) の磁気モーメント m = π a 2 I m=\pi a^2I m = π a 2 I をもつ磁気双極子の軸上の磁場 μ 0 m 2 π ∣ z ∣ 3 \dfrac{\mu_0m}{2\pi|z|^3} 2 π ∣ z ∣ 3 μ 0 m と一致する。数値例は a = 5 a=5 a = 5 cm、I = 1 I=1 I = 1 A で、B z ( 0 ) = 12.57 μ B_z(0)=12.57\ \mu B z ( 0 ) = 12.57 μ T である。z = 15 z=15 z = 15 cm では 0.397 μ 0.397\ \mu 0.397 μ T で、双極子近似の 0.465 μ 0.465\ \mu 0.465 μ T は 17 % 17\% 17% 大きい。z = 3 a z=3a z = 3 a ではまだ ∣ z ∣ ≫ a |z|\gg a ∣ z ∣ ≫ a とは言いにくい。誤りは、分母の指数を 1 / 2 1/2 1/2 にするもの、分子の a 2 a^2 a 2 を a a a にして次元が T でなくなるもの、電流の向きに対する右ねじの向きを逆にして − z -z − z と答えるものである。
(2) b) 円電流の磁気双極子モーメント
定義式 m = 1 2 ∫ r ′ × J d V \bm m=\dfrac12\int\bm r'\times\bm J\,dV m = 2 1 ∫ r ′ × J d V は、一般の定常電流分布に使える。細い線電流では J d V → I d l \bm J\,dV\to I\,d\bm l J d V → I d l となる。素片 d l d\bm l d l と原点を結ぶ三角形の面積は 1 2 ∣ r ′ × d l ∣ \tfrac12|\bm r'\times d\bm l| 2 1 ∣ r ′ × d l ∣ なので、平面内の閉じたループでは、1 2 ∮ r ′ × d l \tfrac12\oint\bm r'\times d\bm l 2 1 ∮ r ′ × d l がループの面積ベクトルになり、m = I S \bm m=I\bm S m = I S に帰着する。m \bm m m は、一様な磁束密度 B \bm B B の中でループが受ける力のモーメント m × B \bm m\times\bm B m × B と、エネルギー − m ⋅ B -\bm m\cdot\bm B − m ⋅ B を決める量でもある。単位は A⋅ \cdot ⋅ m2 ^2 2 で、a = 5 a=5 a = 5 cm、I = 1 I=1 I = 1 A なら 7.85 × 10 − 3 7.85\times10^{-3} 7.85 × 1 0 − 3 A⋅ \cdot ⋅ m2 ^2 2 である。
(2)a) の軸上遠方の式から m m m が読み取れ、μ 0 m / ( 2 π ∣ z ∣ 3 ) = μ 0 I a 2 / ( 2 ∣ z ∣ 3 ) \mu_0m/(2\pi|z|^3)=\mu_0Ia^2/(2|z|^3) μ 0 m / ( 2 π ∣ z ∣ 3 ) = μ 0 I a 2 / ( 2∣ z ∣ 3 ) より m = π a 2 I m=\pi a^2I m = π a 2 I と一致する。誤りは、面積 π a 2 \pi a^2 π a 2 の代わりに周長 2 π a 2\pi a 2 π a を掛けるもの(A⋅ \cdot ⋅ m の単位になり、次元が合わない)、I I I を掛け忘れるものである。
(3) a) 回転する一様帯電球の中心の磁束密度
別の導き方は、球を z z z 軸に垂直なリング電流に分けて (2)a) の結果を使う方法である。位置 ( r ′ , θ ) (r',\theta) ( r ′ , θ ) の、断面積 r ′ d r ′ d θ r'\,dr'\,d\theta r ′ d r ′ d θ のリングは、半径 R = r ′ sin θ R=r'\sin\theta R = r ′ sin θ 、電流 d I = ρ ω R r ′ d r ′ d θ dI=\rho\omega R\,r'\,dr'\,d\theta d I = ρ ω R r ′ d r ′ d θ で、中心 ( z = − r ′ cos θ ) (z=-r'\cos\theta) ( z = − r ′ cos θ ) での寄与は d B z = μ 0 d I R 2 2 r ′ 3 dB_z=\dfrac{\mu_0\,dI\,R^2}{2r'^3} d B z = 2 r ′3 μ 0 d I R 2 である。これを積分しても μ 0 ρ ω a 2 3 \dfrac{\mu_0\rho\omega a^2}3 3 μ 0 ρ ω a 2 になる。さらに、半径 r ′ r' r ′ の薄い球殻(面電荷密度 σ \sigma σ )が中心につくる磁束密度は 2 3 μ 0 σ ω r ′ \dfrac23\mu_0\sigma\omega r' 3 2 μ 0 σ ω r ′ で、σ = ρ d r ′ \sigma=\rho\,dr' σ = ρ d r ′ として 0 0 0 から a a a まで足しても同じである。
球殻だけなら B = μ 0 Q ω 6 π a B=\dfrac{\mu_0Q\omega}{6\pi a} B = 6 π a μ 0 Q ω で、一様な球は内部の電荷も回転に寄与するため、同じ Q Q Q なら 3 2 \dfrac32 2 3 倍になる。数値例は Q = 1 μ Q=1\ \mu Q = 1 μ C、ω = 100 \omega=100 ω = 100 rad/s、a = 5 a=5 a = 5 cm で B = 2.0 × 10 − 10 B=2.0\times10^{-10} B = 2.0 × 1 0 − 10 T である。数値による体積積分も同じ値になった。次元は μ 0 Q ω / a \mu_0Q\omega/a μ 0 Q ω / a で、Q ω Q\omega Q ω が電流の次元をもつため、円電流の中心の式 μ 0 I / ( 2 a ) \mu_0I/(2a) μ 0 I / ( 2 a ) と同じ T になる。
誤りは、円電流の式に I = Q ω I=Q\omega I = Q ω を当てはめるものである。回転の周期は 2 π / ω 2\pi/\omega 2 π / ω で、等価電流は Q ω / ( 2 π ) Q\omega/(2\pi) Q ω / ( 2 π ) なので、μ 0 Q ω / ( 2 a ) = 1.26 × 10 − 9 \mu_0Q\omega/(2a)=1.26\times10^{-9} μ 0 Q ω / ( 2 a ) = 1.26 × 1 0 − 9 T と 2 π 2\pi 2 π 倍大きくなる。球殻の係数 1 / ( 6 π ) 1/(6\pi) 1/ ( 6 π ) をそのまま使うと 1.33 × 10 − 10 1.33\times10^{-10} 1.33 × 1 0 − 10 T で、正しい値の 2 / 3 2/3 2/3 倍である。
(3) b) 回転する一様帯電球の磁気双極子モーメント
リング電流に分ける方法でも求められる。(3)a) と同じリング(半径 R = r ′ sin θ R=r'\sin\theta R = r ′ sin θ 、電流 d I = ρ ω R r ′ d r ′ d θ dI=\rho\omega R\,r'\,dr'\,d\theta d I = ρ ω R r ′ d r ′ d θ )の磁気モーメントは d m = π R 2 d I dm=\pi R^2\,dI d m = π R 2 d I で、m = π ρ ω ∫ 0 a r ′ 4 d r ′ ∫ 0 π sin 3 θ d θ = π ρ ω ⋅ a 5 5 ⋅ 4 3 = 4 π 15 ρ ω a 5 m=\pi\rho\omega\int_0^ar'^4dr'\int_0^\pi\sin^3\theta\,d\theta=\pi\rho\omega\cdot\dfrac{a^5}5\cdot\dfrac43=\dfrac{4\pi}{15}\rho\omega a^5 m = π ρ ω ∫ 0 a r ′4 d r ′ ∫ 0 π sin 3 θ d θ = π ρ ω ⋅ 5 a 5 ⋅ 3 4 = 15 4 π ρ ω a 5 となり、上の積分と一致する。
質量分布も同じ一様な球なら、角運動量 L = 2 5 M a 2 ω L=\tfrac25Ma^2\omega L = 5 2 M a 2 ω (均一な球の慣性モーメント 2 5 M a 2 \tfrac25Ma^2 5 2 M a 2 )と m = Q 2 M L \bm m=\dfrac Q{2M}\bm L m = 2 M Q L の関係から、m = Q 2 M ⋅ 2 5 M a 2 ω = Q ω a 2 5 m=\dfrac Q{2M}\cdot\dfrac25Ma^2\omega=\dfrac{Q\omega a^2}5 m = 2 M Q ⋅ 5 2 M a 2 ω = 5 Q ω a 2 と求められ、積分の結果と一致する。球殻なら慣性モーメントが 2 3 M a 2 \tfrac23Ma^2 3 2 M a 2 で、m = Q ω a 2 / 3 m=Q\omega a^2/3 m = Q ω a 2 /3 になる。
(3)a) の中心の磁束密度とは B = 5 μ 0 m 4 π a 3 B=\dfrac{5\mu_0m}{4\pi a^3} B = 4 π a 3 5 μ 0 m の関係がある。数値例は m = 5.0 × 10 − 8 m=5.0\times10^{-8} m = 5.0 × 1 0 − 8 A⋅ \cdot ⋅ m2 ^2 2 である。誤りは、球殻の値 Q ω a 2 / 3 Q\omega a^2/3 Q ω a 2 /3 を使うもの(8.3 × 10 − 8 8.3\times10^{-8} 8.3 × 1 0 − 8 A⋅ \cdot ⋅ m2 ^2 2 、5 / 3 5/3 5/3 倍)、Q ω a 2 / 2 Q\omega a^2/2 Q ω a 2 /2 とするもの(円環に電荷が集まった場合の値で、1.25 × 10 − 7 1.25\times10^{-7} 1.25 × 1 0 − 7 A⋅ \cdot ⋅ m2 ^2 2 )である。
解答
(1) 無限に長い直線電流の磁束密度
z z z 軸まわりの回転対称性と z z z 方向の並進対称性から、磁束密度は r r r だけの関数である。半径 r r r の z z z 軸を中心とする円周 C C C (z z z 軸に垂直な面内)にアンペールの法則 ∮ C B ⋅ d l = μ 0 I \oint_C\bm B\cdot d\bm l=\mu_0I ∮ C B ⋅ d l = μ 0 I を使う。円周上で B \bm B B が円周の接線方向(ϕ \phi ϕ 方向)で一定の大きさ B ϕ B_\phi B ϕ をもつので、2 π r B ϕ = μ 0 I 2\pi r\,B_\phi=\mu_0I 2 π r B ϕ = μ 0 I となる。
(2) a) 円電流の z z z 軸上の磁束密度
電流は z z z 軸の正の向きから見て反時計回りである。点 P = ( 0 , 0 , z ) \mathrm P=(0,0,z) P = ( 0 , 0 , z ) と、円周上の素片 r ′ = a ( cos φ , sin φ , 0 ) \bm r'=a(\cos\varphi,\sin\varphi,0) r ′ = a ( cos φ , sin φ , 0 ) を考える。素片は d l = a ( − sin φ , cos φ , 0 ) d φ d\bm l=a(-\sin\varphi,\cos\varphi,0)\,d\varphi d l = a ( − sin φ , cos φ , 0 ) d φ で、素片から P へ向かうベクトルは R = ( − a cos φ , − a sin φ , z ) \bm R=(-a\cos\varphi,-a\sin\varphi,z) R = ( − a cos φ , − a sin φ , z ) である。ビオ・サバールの法則
d B = μ 0 I 4 π d l × R R 3 , R = a 2 + z 2
d\bm B=\frac{\mu_0I}{4\pi}\frac{d\bm l\times\bm R}{R^3},\qquad R=\sqrt{a^2+z^2}
d B = 4 π μ 0 I R 3 d l × R , R = a 2 + z 2
で、外積は d l × R = a d φ ( z cos φ , z sin φ , a ) d\bm l\times\bm R=a\,d\varphi\,\bigl(z\cos\varphi,\ z\sin\varphi,\ a\bigr) d l × R = a d φ ( z cos φ , z sin φ , a ) となる。x , y x,y x , y 成分は φ \varphi φ について 0 0 0 から 2 π 2\pi 2 π まで積分すると 0 0 0 になる。z z z 成分は φ \varphi φ によらず、
B z = μ 0 I 4 π ⋅ a 2 ( a 2 + z 2 ) 3 / 2 ⋅ 2 π = μ 0 I a 2 2 ( a 2 + z 2 ) 3 / 2
B_z=\frac{\mu_0I}{4\pi}\cdot\frac{a^2}{(a^2+z^2)^{3/2}}\cdot2\pi=\frac{\mu_0Ia^2}{2(a^2+z^2)^{3/2}}
B z = 4 π μ 0 I ⋅ ( a 2 + z 2 ) 3/2 a 2 ⋅ 2 π = 2 ( a 2 + z 2 ) 3/2 μ 0 I a 2
である。向きは + z +z + z である。
(2) b) 円電流の磁気双極子モーメント
磁気双極子モーメントは m = 1 2 ∮ r ′ × I d l \bm m=\dfrac12\oint\bm r'\times I\,d\bm l m = 2 1 ∮ r ′ × I d l で定義される。素片の r ′ × d l = a 2 d φ z ^ \bm r'\times d\bm l=a^2d\varphi\,\hat{\bm z} r ′ × d l = a 2 d φ z ^ なので、m = I 2 ⋅ a 2 ⋅ 2 π z ^ = π a 2 I z ^ \bm m=\dfrac I2\cdot a^2\cdot2\pi\,\hat{\bm z}=\pi a^2I\,\hat{\bm z} m = 2 I ⋅ a 2 ⋅ 2 π z ^ = π a 2 I z ^ である。平面電流なら m = I S \bm m=I\bm S m = I S (面積 S = π a 2 S=\pi a^2 S = π a 2 )に等しい。
(3) a) 回転する一様帯電球の中心の磁束密度
体積電荷密度は ρ = 3 Q 4 π a 3 \rho=\dfrac{3Q}{4\pi a^3} ρ = 4 π a 3 3 Q である。位置 r ′ \bm r' r ′ にある電荷は、速度 v = ω z ^ × r ′ \bm v=\omega\hat{\bm z}\times\bm r' v = ω z ^ × r ′ で動く。これを体積電流 J = ρ v \bm J=\rho\bm v J = ρ v とみて、中心でのビオ・サバールの法則 B = μ 0 4 π ∫ J × ( 0 − r ′ ) r ′ 3 d V \bm B=\dfrac{\mu_0}{4\pi}\displaystyle\int\dfrac{\bm J\times(\bm 0-\bm r')}{r'^3}\,dV B = 4 π μ 0 ∫ r ′3 J × ( 0 − r ′ ) d V を使う。外積は v × ( − r ′ ) = r ′ × v \bm v\times(-\bm r')=\bm r'\times\bm v v × ( − r ′ ) = r ′ × v で、その z z z 成分は x ′ v y − y ′ v x = ω ( x ′ 2 + y ′ 2 ) = ω r ′ 2 sin 2 θ x'v_y-y'v_x=\omega(x'^2+y'^2)=\omega r'^2\sin^2\theta x ′ v y − y ′ v x = ω ( x ′2 + y ′2 ) = ω r ′2 sin 2 θ である。x , y x,y x , y 成分は φ \varphi φ の積分で 0 0 0 になる。極座標 ( r ′ , θ , φ ) (r',\theta,\varphi) ( r ′ , θ , φ ) で
B z = μ 0 ρ ω 4 π ∫ 0 2 π d φ ∫ 0 π sin 3 θ d θ ∫ 0 a r ′ d r ′ = μ 0 ρ ω 4 π ⋅ 2 π ⋅ 4 3 ⋅ a 2 2 = μ 0 ρ ω a 2 3
B_z=\frac{\mu_0\rho\omega}{4\pi}\int_0^{2\pi}\!d\varphi\int_0^\pi\!\sin^3\theta\,d\theta\int_0^ar'\,dr'=\frac{\mu_0\rho\omega}{4\pi}\cdot2\pi\cdot\frac43\cdot\frac{a^2}2=\frac{\mu_0\rho\omega a^2}3
B z = 4 π μ 0 ρ ω ∫ 0 2 π d φ ∫ 0 π sin 3 θ d θ ∫ 0 a r ′ d r ′ = 4 π μ 0 ρ ω ⋅ 2 π ⋅ 3 4 ⋅ 2 a 2 = 3 μ 0 ρ ω a 2
で、ρ \rho ρ を代入する。
(3) b) 回転する一様帯電球の磁気双極子モーメント
m = 1 2 ∫ r ′ × J d V \bm m=\dfrac12\displaystyle\int\bm r'\times\bm J\,dV m = 2 1 ∫ r ′ × J d V に J = ρ ω z ^ × r ′ \bm J=\rho\,\omega\hat{\bm z}\times\bm r' J = ρ ω z ^ × r ′ を入れる。r ′ × v \bm r'\times\bm v r ′ × v の z z z 成分は ω ( x ′ 2 + y ′ 2 ) = ω r ′ 2 sin 2 θ \omega(x'^2+y'^2)=\omega r'^2\sin^2\theta ω ( x ′2 + y ′2 ) = ω r ′2 sin 2 θ なので、
m z = 1 2 ρ ω ∫ r ′ 2 sin 2 θ d V = 1 2 ρ ω ⋅ 2 π ∫ 0 π sin 3 θ d θ ∫ 0 a r ′ 4 d r ′ = 1 2 ρ ω ⋅ 2 π ⋅ 4 3 ⋅ a 5 5 = 4 π 15 ρ ω a 5
m_z=\frac12\rho\omega\int r'^2\sin^2\theta\,dV=\frac12\rho\omega\cdot2\pi\int_0^\pi\sin^3\theta\,d\theta\int_0^ar'^4dr'=\frac12\rho\omega\cdot2\pi\cdot\frac43\cdot\frac{a^5}5=\frac{4\pi}{15}\rho\omega a^5
m z = 2 1 ρ ω ∫ r ′2 sin 2 θ d V = 2 1 ρ ω ⋅ 2 π ∫ 0 π sin 3 θ d θ ∫ 0 a r ′4 d r ′ = 2 1 ρ ω ⋅ 2 π ⋅ 3 4 ⋅ 5 a 5 = 15 4 π ρ ω a 5
である。ρ = 3 Q / ( 4 π a 3 ) \rho=3Q/(4\pi a^3) ρ = 3 Q / ( 4 π a 3 ) を代入する。x , y x,y x , y 成分は 0 0 0 である。
最終答
(1) 無限に長い直線電流の磁束密度
B = B ϕ ϕ ^ , B ϕ = μ 0 I 2 π r , B r = B z = 0 \bm B=B_\phi\,\hat{\bm\phi},\quad B_\phi=\dfrac{\mu_0I}{2\pi r},\quad B_r=B_z=0 B = B ϕ ϕ ^ , B ϕ = 2 π r μ 0 I , B r = B z = 0 (向きは電流の向きに右ねじを回す向き)
(2) a) 円電流の z z z 軸上の磁束密度
B z = μ 0 I a 2 2 ( a 2 + z 2 ) 3 / 2 B_z=\dfrac{\mu_0I\,a^2}{2\,(a^2+z^2)^{3/2}} B z = 2 ( a 2 + z 2 ) 3/2 μ 0 I a 2 (向きは + z +z + z )。z = 0 z=0 z = 0 で μ 0 I 2 a \dfrac{\mu_0I}{2a} 2 a μ 0 I
(2) b) 円電流の磁気双極子モーメント
∣ m ∣ = π a 2 I |\bm m|=\pi a^2I ∣ m ∣ = π a 2 I 、向きは + z +z + z (電流の向きに右ねじを回したときに進む向き)
(3) a) 回転する一様帯電球の中心の磁束密度
B = μ 0 Q ω 4 π a B=\dfrac{\mu_0Q\omega}{4\pi a} B = 4 π a μ 0 Q ω 、向きは + z +z + z (ω \omega ω と同じ向き)
(3) b) 回転する一様帯電球の磁気双極子モーメント
∣ m ∣ = Q ω a 2 5 |\bm m|=\dfrac{Q\omega a^2}5 ∣ m ∣ = 5 Q ω a 2 、向きは + z +z + z