アンペールの法則(Ampere's Law)

ビオ・サバールの法則で与えられる磁場

B r =∇×A r ・・・・・・(1)

A r = μ 0 4π ∫ i r ′ r− r ′ d V ′ ・・・・・・(2)

について, ∇×B を計算する.ここで, A r は磁場 B r のベクトルポテンシャルであり, i r = ixr iyr izr は電流密度である.
ベクトル解析の公式 ∇× ∇×X =∇ ∇⋅X −ΔX を用いると,

∇×B =∇× ∇×A =∇ ∇⋅A −ΔA ・・・・・・(3)

ここで, Δ=∇2 である.(3)式の右辺第1項は,

∇⋅A= μ 0 4π ∂ ∂x ∫ i x r ′ r− r ′ d V ′ + ∂ ∂y ∫ i y r ′ r− r ′ d V ′ + ∂ ∂z ∫ i z r ′ r− r ′ d V ′ ・・・・・・(4)

であるが,この式の右辺第1項で,

∂ ∂x 1 r− r ′ =− ∂ ∂ x ′ 1 r− r ′

の関係が成り立つことに注意すれば,

∂ ∂x ∫ i x r ′ r− r ′ d V ′ =− ∫ ∂ ∂ x ′ 1 r− r ′ i x r ′ d V ′

=− ∫ ∂ ∂ x ′ i x r ′ r− r ′ d V ′ + ∫ 1 r− r ′ ∂ i x r ′ ∂ x ′ d V ′ ・・・・・・(5)

と計算できる.(4)式の右辺第2,3項についても同様にすれば,

∇⋅A= − μ 0 4π ∫ ∇ r ′ ⋅ i r ′ r− r ′ d V ′ + μ 0 4π ∫ ∇ r ′ ⋅i r ′ r− r ′ d V ′ ・・・・・・(6)

を得る.ここで ∇ r ′ = ∂ ∂ x ′ , ∂ ∂ y ′ , ∂ ∂ z ′ であり, ∇ r ′ の添え字はこの微分演算子がベクトル r ′ にのみ作用することを明示している.

(6)式の右辺第1項について、積分する空間領域の表面を S′ としてガウスの定理を用いると,

− μ 0 4π ∫ ∇ r ′ ⋅ i r ′ r− r ′ d V ′ =− μ 0 4π ∫ S ′ i r ′ ⋅d S′ r− r ′ ・・・・・・(7)

と書ける.電流密度が空間の有限領域にのみ存在していると考えれば,積分領域を十分広く取ることで(7)式はゼロになる.また,(6)式の右辺第2項は定常電流に対する電荷保存則によりゼロとなる.したがって,(3)式は

∇×B=−ΔA =− μ 0 4π ∫ Δ 1 r− r ′ i r′ d V ′ ・・・・・・(8)

となる.(8)式において、関係式

Δ 1 r− r ′ =−4πδ r− r ′ ・・・・・・(9)

を用いれば、

∇×B =− μ 0 4π ∫ −4πδ r− r ′ i r ′ d V ′

= μ 0 i r ・・・・・・(10)

が得られる.(10)式を微分形のアンペールの法則という.

ホーム>>カテゴリー分類>> 電磁気学 >>アンペールの法則

学生スタッフ作成

2026年1月14日