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電磁気学3
時間に依存する電磁気学
2017.6.7
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の法則
の法則
Gauss
MaxwellAmpere
0
000
E
EJB
t
J
JE
EJ
EJB
t
t
t
t
)(
)(0
)()(
0
0
000
電荷保存則をマックスウェル方程式から導く
電荷保存則はマックスウェル方程式と矛盾しないマックスウェル方程式は電荷保存則を満たすように作られている
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0),(
/),(),(
),(),(),(
),(),(
0
000
t
ttt
ttt
t
tt
rB
rrE
rErJrB
rBrE
JBE ,,, t
時間・空間の関数として物質中のMaxwell方程式を書く
があらわに に依存するときも成りつか?
0
/ 0
000
B
E
EJB
BE
t
t
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ガウスの法則は時間にあらわに依存しない(時間微分がない)
が、初期状態で電荷分布が与えられれば以後の時間ずっと成り立つ。(電荷が保存するので、とも見なせる)
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についても同様
初期条件ならばにある時刻
0),(
0),(),(
)(0),(),(
0)),(),((
),()),((
),(),(
)),(),(()),((
),(),(),(),(),(
0),(),(
),(
),(),(
0
0000
00
000
000
000
000
0
t
tt
tttt
ttt
tt
tt
tt
t
tt
tt
tt
tttt
t
tt
t
ttt
rB
rEr
rEr
rEr
rEr
rErJ
rErJrB
rErJrBrBrE
rBr
rE
rJr
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時間に依存するMaxwell方程式
),(),(),()4(
),(),()3(
0),()2(
),(),()1(
000
0
tt
tt
tt
t
t
tt
rErJrB
rBrE
rB
rrE
)Maxwell(
4,
2)2)(1(66)4)(3(
),,(),,,(6
8,
自由度を減らさない方程式から導けるのでは連続の方程式
つの独立な成分は
自由度が減る式で変数が定まるが式からの
変数時刻の求めたいのは各点、各
つの式刻でを与えると各点、各時
J
BE
BE
J
t
BBBEEE zyxzyx
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もう少し詳しく
に従って発展つ運動方程式
との独立な式-つの拘束条件=つ+方程式
変数は独立なつのの
変数と独立なつのの
ついので独立な変数はを満たさないといけな
方程式から導けるは連続の方程式つの変数このとき
の分布を与えるで
)3(
)2626(Maxwell
)(3),,,(
)(4),,(),,,(
3
)Maxwell(),,,(4,
,0
BvEv
BE
J
J
dt
d
JJJ
BBBEEE
tJJJ
t
m
zyx
zyxzyx
zyx
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電磁ポテンシャルの導入pp.416-417
553-554
JAAA
A
A
rrrrA
r
AE
AB
0002
2
00
2
0
2 1)(
,)4(
)),(),,(),,((),(
),(
Vtt
tV
V
tAtAtAt
tV
tV
zyx
は以下を満たす。。成分を導入
ャルを満たす電磁ポテンシ
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ゲージ変換 pp.419-422 556-559
JA
AA
AA
r
02
2
00
2
0
2
2
00
2
00 ,0
:
),(
t
Vt
Vt
V
tVV
t
。するとを満たすようにできる
はない)の4つの成分は独立で(
条件と変換してローレンツ
を導入して
つの独立な成分も
つの独立な成分は
3,
3,
BE
A V
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自由空間( )の電磁波ではさらに自由度が減る
0111
)0(01
0
01
,,
01
0 2
2
2
2
02
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
0
2
2
2
2
2
tt
t
tdVtc
tdVtctc
Vtc
tdV
VVt
t
V
c
Vt
VV
tc
ならば
とできるとができればとなるように定めるこを
を満たす
もとした
によりを満たす
A
AAA
の条件は必須か?
つの偏光成分横波電磁波の
つ独立な成分はとローレンツ条件より
0
2
200
J
AV
0,0 J
Problem 10.6
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時間・空間変動する波源があるとき波動方程式の解
より)たす(はローレンツ条件を満この
の解
JrAr
rrR
rrJ
rA
rr
r
rJrA
rr
tttV
zzyyxxc
Rtt
dR
tt
dR
ttV
ttt
ttV
t
r
r
r
),(),,(
),,(
),(
4),(
),(
4
1),(
),(),(
),(),(
0
0
02
2
00
2
0
2
2
00
2 pp.445-446 562-563
![Page 12: 時間に依存する電磁気学...電磁波の輻射の理論 まとめると の条件で輻射場を求める 点光源の条件(遠方で輻射場が ) :電気双極子近似の条件](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060513/5f2bb9c809c8d53f6137a729/html5/thumbnails/12.jpg)
運動する点電荷のポテンシャルLienard-Wiechert potentials
),(),(
4
1
)())((1
|)(|
1
4
),(
4
1),(
:)())((),(
2
00
0
tVc
t
Rc
qc
ttc
t
q
dR
ttV
ttqt
rrr
r
rv
rA
vRvwrwr
rr
r
wwrr
点電荷の運動の軌跡
pp.451-454
568-571
![Page 13: 時間に依存する電磁気学...電磁波の輻射の理論 まとめると の条件で輻射場を求める 点光源の条件(遠方で輻射場が ) :電気双極子近似の条件](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060513/5f2bb9c809c8d53f6137a729/html5/thumbnails/13.jpg)
http://webphysics.davidson.edu/applets/sync/default.html
応用 軌道放射光 自由電子レーザー
運動する点電荷による電磁放射
Griffiths Intro. ElectroDynamics
制動輻射、シンクロトロン輻射
pp.486-487 462-463
![Page 14: 時間に依存する電磁気学...電磁波の輻射の理論 まとめると の条件で輻射場を求める 点光源の条件(遠方で輻射場が ) :電気双極子近似の条件](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060513/5f2bb9c809c8d53f6137a729/html5/thumbnails/14.jpg)
電磁波の輻射の理論
るの条件で輻射場を求めまとめると
)輻射場が点光源の条件(遠方で
件:電気双極子近似の条
が無視できる条件輻射場に比べて近接場
rd
rrd
d
r
/1:
:
任意の時間変化する電荷分布による電磁場(観測試料)
輻射場(伝搬光) 十分遠方で∝1/r エネルギー∝1/r2
近接場(非伝搬光) 1/r2 1/r3 など高い空間周波数kを持つが試料の近傍のみ
距離波源から観測点までの
:電磁波の波長
波源の広がり
:
:
r
d
![Page 15: 時間に依存する電磁気学...電磁波の輻射の理論 まとめると の条件で輻射場を求める 点光源の条件(遠方で輻射場が ) :電気双極子近似の条件](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060513/5f2bb9c809c8d53f6137a729/html5/thumbnails/15.jpg)
電気双極子放射、磁気双極子放射
)(tq
)cos()( 0 tqtq
)(tq
d
zp ˆ)()( dtqt
b
)cos()( 0 tItI
zm ˆ)()( 2 tIbt
pp.466-477
pp.442-453
![Page 16: 時間に依存する電磁気学...電磁波の輻射の理論 まとめると の条件で輻射場を求める 点光源の条件(遠方で輻射場が ) :電気双極子近似の条件](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060513/5f2bb9c809c8d53f6137a729/html5/thumbnails/16.jpg)
任意の電荷・電流分布による電磁波放射
2
2 )(
)(
),()(
dt
td
dt
td
dtt
p
p
rrrp
放射電磁波
ポテンシャル
pp.477-480
453-456
![Page 17: 時間に依存する電磁気学...電磁波の輻射の理論 まとめると の条件で輻射場を求める 点光源の条件(遠方で輻射場が ) :電気双極子近似の条件](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060513/5f2bb9c809c8d53f6137a729/html5/thumbnails/17.jpg)
電荷分布から遠く離れたところの場
),,(
),(
4),(
),(
4
1),(
0
0
zzyyxxc
Rtt
dR
tt
dR
ttV
r
r
r
rrR
rrJ
rA
rr
r
rr
rr
rr
rr
rrrr
ˆ
)/1(
)/21(
2
ˆ||
2
2/12
222
r
rr
rrR
rrR
rR
rr
のとき
rO
r
R
![Page 18: 時間に依存する電磁気学...電磁波の輻射の理論 まとめると の条件で輻射場を求める 点光源の条件(遠方で輻射場が ) :電気双極子近似の条件](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060513/5f2bb9c809c8d53f6137a729/html5/thumbnails/18.jpg)
rrr
JrJA
rrr
rJ
rrJ
rA
rrr
r
rrr
rrr
rr
r
rrR
dcc
rt
rd
r
dcc
rt
r
dR
tt
dcc
rt
r
dr
c
rt
dR
ttV
zzyyxxc
Rtt
r
r
r
)ˆ
,(1
4)(
1
4
)ˆ
,(1
4
),(
4),(
)ˆ
,(1
4
1
ˆ
)ˆ
,(
4
1),(
4
1),(
),,(
00
0
0
0
00
![Page 19: 時間に依存する電磁気学...電磁波の輻射の理論 まとめると の条件で輻射場を求める 点光源の条件(遠方で輻射場が ) :電気双極子近似の条件](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060513/5f2bb9c809c8d53f6137a729/html5/thumbnails/19.jpg)
rArrJ
rJrrJr
rrr
rB
rrr
rr
rrrrr
rJrJrJ
rrr
JrJAB
ˆ1
ˆ),(1
4
1
),(ˆ11
4),()
ˆˆ(
11
4
)ˆ
ˆ(1
)ˆ(1
)ˆ(1
)62.10(458.p
),(),(),(2
11
)ˆ
,(1
4)(
1
4
0
0
2
0
2
2
00
tcdt
trc
dttcr
dttrrcr
rrcrcr
ct
ttt
t
t
dtt
tdtt
tdt
r
dcc
rt
rd
r
r
rr
r
rr
r
rrr
r
rr
教科書
項 第
項 第
p.575
![Page 20: 時間に依存する電磁気学...電磁波の輻射の理論 まとめると の条件で輻射場を求める 点光源の条件(遠方で輻射場が ) :電気双極子近似の条件](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060513/5f2bb9c809c8d53f6137a729/html5/thumbnails/20.jpg)
rAB
rrArBE
ˆ1
ˆˆˆ
tc
tc
電荷分布から十分遠方では、空間のあまり大きくない領域の場を平面波とみなせる
![Page 21: 時間に依存する電磁気学...電磁波の輻射の理論 まとめると の条件で輻射場を求める 点光源の条件(遠方で輻射場が ) :電気双極子近似の条件](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060513/5f2bb9c809c8d53f6137a729/html5/thumbnails/21.jpg)
電気双極子放射
と等価より
の程度とするとを電荷の速度の大きさこの条件は、
が十分に小さいに比べて
周期程度)する時間(電磁波の電荷分布が十分に変化
(周期)
となる条件はで
として、電荷の拡がり
cvcTavT
v
c
Tfcc
a
c
acc
r
cc
rtt
a
r
rr
rr
rrrr
ˆ
1
1ˆ
ˆˆ
rrJ
rrJ
rA
dc
rt
r
rdR
tt r
),(1
4
1),(
4),(
0
0
次の項のみ残すとについて
![Page 22: 時間に依存する電磁気学...電磁波の輻射の理論 まとめると の条件で輻射場を求める 点光源の条件(遠方で輻射場が ) :電気双極子近似の条件](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060513/5f2bb9c809c8d53f6137a729/html5/thumbnails/22.jpg)
)56.11(ˆˆ1
4ˆ
)57.11(ˆ1
4ˆ
1
1
4
1
4
1
4),(
),(1
4
),(
4),(
2
2
0
2
2
0
000
0
0
rrprBE
rprAB
prvrA
vJ
rrJ
rrJ
rA
trc
trctc
tre
tre
rt
dc
rt
r
dR
tt r
電気双極子近似次 について1r
![Page 23: 時間に依存する電磁気学...電磁波の輻射の理論 まとめると の条件で輻射場を求める 点光源の条件(遠方で輻射場が ) :電気双極子近似の条件](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060513/5f2bb9c809c8d53f6137a729/html5/thumbnails/23.jpg)
輻射の反作用 pp.488-495 464-471
加速電荷 電磁波の放射 電荷はエネルギーを失う運動エネルギーの減少
放射にともなう反作用がある
電荷が自分自身へ及ぼす力
同じ質量の 荷電粒子 と 中性粒子 では荷電粒子のほうが加速しにくい
自己場の衣を着た質量(繰り込まれた質量)
aF c
q
6
2
0rad
![Page 24: 時間に依存する電磁気学...電磁波の輻射の理論 まとめると の条件で輻射場を求める 点光源の条件(遠方で輻射場が ) :電気双極子近似の条件](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060513/5f2bb9c809c8d53f6137a729/html5/thumbnails/24.jpg)
電磁気学と特殊相対論 p.502- 479-
4次元時空間の電磁気学
磁場とは何か?磁場に関係する式が速度に依存するのはなぜか?
電磁波、電磁波放射のより深い理解
電磁気学の深い理解