ベクトルポテンシャル(Vector potential)

定常電流による磁場は,ビオ・サバールの法則で与えられる.この磁場ベクトルを B r とすると,

B r = r ×A r ・・・・・・(1)

の形に書くことができ,(1)式の A r ベクトルポテンシャルと呼ぶ.ここで, r= x,y,z 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.(1)式を示すために,まず,

r 1 r r = r r r r 3 ・・・・・・(2) を示す.ここで, r = x , y , z r とする.

(2)式の x 成分を計算すると,

x 1 r r = x 1 x x 2 + y y 2 + z z 2 = x x x 2 + y y 2 + z z 2 1 2 = x x 2 + y y 2 + z z 2 3 2 × x x = x x x x 2 + y y 2 + z z 2 3 2 = x x r r 3 ・・・・・・(3)

y z 成分も同様にすれば, x ^ y ^ z ^ を各方向の単位ベクトルとして,

r 1 r r = x ^ x + y ^ y + z ^ z 1 r r = 1 r r 3 x ^ x x + y ^ y y + z ^ z z = r r r r 3 ・・・・・・(4)

となり,(2)式が成り立つことが分かる.この関係をビオ・サバールの法則の(4)式に用いると,

B r = μ 0 4π d V i r × r r r r 3 = μ 0 4π d V i r × r 1 r r ・・・・・・(5)

ここで, i r 電流密度であり, d V r に関する微小体積要素である.(5)式において積分と r の順序を入れ替えて,外積の性質 i r × r = r ×i r に注意すれば,

B r = r × μ 0 4π d V i r r r ・・・・・・(6)

が得られる.したがって,

A r = μ 0 4π d V i r r r ・・・・・・(7)

とすることで,(1)式の形に書けることが分かる.線状の電流を考える場合は,ビオ・サバールの法則の(3)式に対して同様にすれば,

A r = μ 0 I 4π d r r r ・・・・・・(8)

が得られる.

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学生スタッフ作成

2026年1月14日