電磁界

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電磁場EMフィールドまたはEMF )は、電荷を加速することによって生成される古典的な(つまり非量子)フィールドです。[1]これは古典電磁気学によって記述された場であり、量子電磁力学における量子化電磁場テンソルの古典的な対応物です。電磁界は光速で伝播し(実際、この電磁界は光として識別できます)、電荷および電流と相互作用します。その量子の対応物は、自然の4つの基本的な力の1つです(他は重力弱い相互作用強い相互作用。)

電界は、電界磁界の組み合わせと見なすことができます電場は定常電荷によって生成され、磁場は移動電荷(電流)によって生成されます。これらの2つは、フィールドのソースとして説明されることがよくあります。電荷と電流が電磁場と相互作用する方法は、マクスウェルの方程式ローレンツ力の法則によって記述されます。[2]電場によって生成される力は、磁場によって生成される力よりもはるかに強力です。[3]

電磁気学の歴史における古典的な観点から、電磁界は、波状に伝播する滑らかで連続的な場と見なすことができます。対照的に、場の量子論の観点からは、この場は量子化されていると見なされます。つまり、自由場の量子論(つまり非相互作用場)は、エネルギー運動空間における生成および消滅演算子のフーリエ和として表すことができ、相互作用する場の量子論の効果は、 S行列介して摂動論で分析できます。ダイソン級数ウィックの定理相関関数時間発展演算子ファインマン図など。量子化されたフィールドは依然として空間的に連続していることに注意してください。ただし、そのエネルギー状態は離散的です(フィールドのエネルギー状態は、連続的なエネルギー値と混同しないでください。量子フィールドの生成演算子は、光子と呼ばれる複数の離散的なエネルギー状態を作成します)。

正のz軸に沿って伝播する正弦波の電磁波で、電界(青)と磁界(赤)のベクトルを示します。

構造

電磁界は、連続構造または離散構造の2つの異なる方法で表示できます。

連続構造

古典的に、電場と磁場は、帯電した物体の滑らかな動きによって生成されると考えられています。たとえば、振動する電荷は、「滑らかな」連続的な波状の方法で見ることができる電場と磁場の変化を生み出します。この場合、エネルギーは、任意の2つの場所の間で電磁場を介して継続的に伝達されると見なされます。たとえば、無線 送信機の金属原子はエネルギーを継続的に伝達しているように見えます。このビューはある程度有用ですが(低周波数の放射)、高周波数で問題が見つかります(紫外破綻を参照)。[4]

離散構造

電磁界は、より「粗い」方法で考えることができます。実験により、状況によっては、電磁エネルギー伝達は、固定周波数の量子と呼ばれるパケットの形で運ばれるものとしてより適切に説明されることが明らかになりましたプランクの関係は、次の方程式を介して、光子の光子エネルギーEをその周波数fに関連付けます。[5]

ここで、hプランク定数fは光子の周波数です。現代の量子光学は、光電効果(電磁放射にさらされた金属表面からの電子の放出)の半古典的な説明もあると言っていますが、光子は歴史的に(厳密には必ずしもではありませんが)特定の観測を説明するために使用されていました。入射放射線の強度を増加させると(線形領域にとどまる限り)、放出される電子の数だけが増加し、それらの放出のエネルギー分布にはほとんど影響がないことがわかります。放射の周波数のみが、放出された電子のエネルギーに関連しています。

この電磁場の量子像(これは調和振動子に類似しているものとして扱われます)は非常に成功していることが証明されており、電磁放射と荷電物質との相互作用を説明する量子電磁力学を生み出しています。それはまた、物質自体が場の量子論ではなく 量子力学を使用してモデル化されるという点で量子電気力学とは異なる量子光学を生み出します。

ダイナミクス

過去には、帯電した物体は、それらの帯電特性に関連する2つの異なる無関係なタイプのフィールドを生成すると考えられていました。電荷の性質を測定するオブザーバーに対して電荷が静止しているときに電場が生成され、電荷が移動するときに磁場と電場が生成され、このオブザーバーに対して電流が生成されます。時間が経つにつれて、電磁界は、より大きな全体の2つの部分、つまり電磁界としてよりよく考えられることがわかりました。1820年まで、デンマークの物理学者HCØrstedがコンパスの針に電流の影響を示したとき、電気と磁気は無関係の現象と見なされていました。[6] 1831年、マイケルファラデーは、時変磁場が電流を誘導する可能性があるという独創的な観察を行い、1864年、ジェームズクラークマクスウェルは彼の有名な論文「電磁場の動力学理論」を発表しました。[7]

この電磁界が特定の電荷分布から生成されると、この電磁界内の他の帯電または磁化された物体に力が発生する可能性があります。これらの他の電荷と電流のサイズが上記の電磁界を生成するソースに匹敵する場合、新しい正味の電磁界が生成されます。したがって、電磁界は、他の電荷や電流を移動させ、それらの影響も受ける動的なエンティティと見なすことができます。これらの相互作用は、マクスウェルの方程式ローレンツ力の法則によって記述されます。この議論は、放射反力を無視します。

フィードバックループ

電磁界の振る舞いは、ループの4つの異なる部分に分けることができます。[8]

  • 電界と磁界は、電荷を移動させることによって生成されます。
  • 電場と磁場は互いに相互作用し、
  • 電界と磁界は電荷に力を発生させます。
  • 電荷は宇宙を移動します。

よくある誤解は、(a)場の量子は、(b)場を生成する電子などの荷電粒子と同じように作用するというものです。私たちの日常の世界では、電子は毎秒数分の1センチメートルのドリフト速度で導体をゆっくりと移動し、約1,000 km / sの速度で真空管を通過します[9]が、フィールドは光速で伝播します。毎秒30万キロメートル(または18万6千マイル)。導体内の荷電粒子と場の量子の間の速度比は、1から100万のオーダーです。マクスウェルの方程式(a)荷電粒子の存在と動きを(b)場の生成と関連付けます。これらのフィールドは、力に影響を与える可能性があり、その後、他のゆっくりと移動する荷電粒子を移動させる可能性があります。荷電粒子は、場の伝播速度に近い相対論的な速度で移動できますが、アルバートアインシュタインが示したように[要出典]、これには、電気、磁気、物質、時間と空間に関する日常の経験には存在しない巨大な場のエネルギーが必要です。

フィードバックループは、ループの各部分に属する現象を含むリストにまとめることができます。[要出典]

  • 荷電粒子は電場と磁場を生成します
  • フィールドは互いに相互作用します
    • 変化する電場は電流のように作用し、磁場の「渦」を生成します
    • ファラデー誘導:磁場の変化は、電界の(負の)渦を誘導します
    • レンツの法則:電界と磁界の間の負のフィードバックループ
  • フィールドは粒子に作用します
    • ローレンツ力:電磁界による力
      • 電気力:電界と同じ方向
      • 磁力:磁場と電荷の速度の両方に垂直
  • 荷電粒子が移動します
    • 電流は粒子の動きです
  • 荷電粒子はより多くの電場と磁場を生成します。サイクルが繰り返されます

数学的説明

電磁界を表すさまざまな数学的方法があります。最初のものは、電場と磁場を3次元ベクトル場と見なします。これらのベクトル場はそれぞれ、空間と時間のすべてのポイントで定義された値を持っているため、多くの場合、空間と時間の座標の関数と見なされます。そのため、E(x、y、z、t)(電場)およびB(x、y、z、t)(磁場)と表記されることがよくあります。

電界(E)のみがゼロ以外であり、時間的に一定である場合、電界は静電界であると言われます。同様に、磁場(B)のみがゼロ以外で時間的に一定である場合、その磁場は静磁場であると言われます。ただし、電磁界または磁界のいずれかに時間依存性がある場合は、マクスウェルの方程式を使用して、両方の電磁界を結合した電磁界と見なす必要があります。[10]

特殊相対性理論の出現により、物理法則はテンソルの形式化の影響を受けやすくなりました。マクスウェルの方程式はテンソル形式で書くことができ、一般に物理学者は物理法則を表現するためのよりエレガントな手段と見なしています。

静電、静磁気、または電気力学(電磁場)の場合でも、電場と磁場の振る舞いは、マクスウェルの方程式によって支配されます。ベクトル場の形式では、これらは次のとおりです。

ガウスの法則
磁性に関するガウスの法則
ファラデーの法則
マクスウェル-アンペールの法則

どこは電荷密度であり、時間と位置に依存する可能性があります(多くの場合、依存します)。自由空間誘電率です。自由空間の透磁率であり、 Jは電流密度ベクトルであり、これも時間と位置の関数です。上記で使用されている単位は、標準のSI単位です。線形材料の内部では、マクスウェルの方程式は、自由空間の透磁率と誘電率を問題の線形材料の透磁率と誘電率に切り替えることによって変化します。電磁界に対してより複雑な応答を持つ他の材料の内部では、これらの用語はしばしば複素数またはテンソルで表されます。

ローレンツ力の法則は、電磁界と荷電物質との相互作用を支配します。

フィールドがさまざまなメディアに移動すると、フィールドのプロパティはさまざまな境界条件に従って変化します。これらの方程式は、マクスウェルの方程式から導き出されます。2つの媒体の境界に関連する電界と磁界の接線成分は次のとおりです。[11]

(電流なし)
(無料)

メディア間の電界の屈折角は誘電率に関連しています各媒体の:

媒体間の磁場の屈折角は透磁率に関連しています各媒体の:

フィールドのプロパティ

電場と磁場の相互作用

2つのマクスウェル方程式、ファラデーの法則とアンペア-マクスウェルの法則は、電磁界の非常に実用的な特徴を示しています。ファラデーの法則は、「変化する磁場が電場を作り出す」と大まかに言うことができます。これが発電機の背後にある原理です。

アンペールの法則は、「電場の変化によって磁場が発生する」と大まかに述べています。したがって、この法則を適用して、磁場を生成し、電気モーターを動かすことができます。

電荷または電流がない場合のフィールドの動作

マクスウェルの方程式は、電荷や電流を含まない空間のボリューム(自由空間)で電磁波の形をとります。つまり、ここでJはゼロです。これらの条件下で、電界と磁界は電磁波の方程式を満たします:[12]

ジェームズクラークマクスウェルは、アンペールの法則に変位電流項を追加してマクスウェルの方程式を完成させることにより、この関係を最初に取得しました

他の物理分野との関係と比較

自然の4つの基本的な力の1つであるため、電磁場を重力の場と比較するのに役立ちます。現代の素粒子物理学は電磁気学をゲージボソンとして知られる粒子の交換としてモデル化しているため、「力」という言葉は「相互作用」に置き換えられることがあります。

電磁場と重力場

電磁界の発生源は、正と負の2種類の電荷で構成されます。これは、質量である重力場の源とは対照的です。質量は重力電荷として説明されることがありますが、それらの重要な特徴は、正の質量のみがあり、負の質量がないことです。さらに、重力は電磁気学とは異なり、正の質量は他の正の質量を引き付けますが、電磁気学の同じ電荷は互いに反発します。

4つの相互作用の相対的な強みと範囲、およびその他の情報を以下に示します。

仮説 インタラクション メディエーター 相対的な大きさ 行動 範囲
クロモダイナミクス 強い相互作用 グルーオン 10 38 1 10 −15 m
電気力学 電磁相互作用 光子 10 36 1 / r 2 無限
フレーバーダイナミクス 弱い相互作用 WボソンとZボソン 10 25 1 / r5から1 / r 7 10 −16 m
ジオメトロダイナミクス 重力 重力子(仮説) 10 0 1 / r 2 無限

アプリケーション

静的EおよびMフィールドと静的EMフィールド

電磁界(電磁場テンソルを参照)が時間的に変化しない場合、それは純粋な電場または純粋な磁場、あるいは両方の混合物と見なされる場合があります。ただし、電気成分と磁気成分の両方が存在する静的電磁界の一般的なケースは、ほとんどの観測者に見られるケースです。静電磁界の電磁界成分のみを見る観測者は、電磁界を生成する電荷の不動状態の特殊なケースのために、他の(電磁界)成分を抑制します。このような場合、他のコンポーネントは他のオブザーバーフレームで明示されます。

この結果、「純粋な」静電界または磁界で構成されていると思われるケースは、観測者を基準座標系に移動するだけで、E成分とM成分の両方が存在するEM電界に変換できます。これは、「純粋な」電磁界のみが現れるフレームに対して動いています。つまり、純粋な静電界は、電荷が移動する任意の基準系で、電流に関連するおなじみの磁界を示します。同様に、以前は磁場のみを含んでいたように見えた領域での電荷の新しい動きは、空間に電場も含まれていることを示し、移動する電荷に追加のローレンツ力を生成することがわかります。

したがって、静電学、ならびに磁気および磁気学は、特定のフレームが他のタイプの電磁界を抑制するように選択された場合の静電磁界の研究と見なされるようになりました。他のフレームでは、これらの「より単純な」効果は単に観察者のものです。このような時間変化しない(静的)フィールドすべての「アプリケーション」については、このセクションにリンクされている主要な記事で説明しています。

マクスウェルの方程式の時変EMフィールド

時間とともに変化する電磁界には、マクスウェルの方程式に2つの「原因」があります。1つは電荷と電流(いわゆる「ソース」)であり、EまたはMフィールドのもう1つの原因は、他のタイプのフィールドの変化です(この最後の原因は、電流と電荷から非常に離れた「自由空間」にも現れます) )。

電流と電荷(ソース)から非常に離れた電磁界は、ソース内の電荷と電流から放射され、それらに「フィードバック」効果がなく、直接影響を受けないため、電磁放射(EMR)と呼ばれます。現在(むしろ、過去にそれらから放射状に広がるフィールドの一連の変化によって間接的に生成されます)。EMRは、電波マイクロ波赤外線可視光線紫外線X線ガンマ線などの電磁スペクトルの放射で構成されます。これらの放射線の多くの商用アプリケーションは、名前付きのリンクされた記事で説明されています。

可視光の注目すべき用途は、太陽からのこのタイプのエネルギーが、酸素を生成または使用する地球上のすべての生命に電力を供給することです。

電流と電荷に物理的に近い変化する電磁界(「近接」の定義については近距離場と遠距離場を参照)は、変化する電気双極子または変化する磁気双極子のいずれかによって支配される双極子特性を持ちます。ソースの近くのこのタイプの双極子場は、電磁近接場と呼ばれます。

変化する電気双極子場は、それ自体、主に誘電加熱源としての近接場として商業的に使用されていますそうでなければ、それらはEMRを吸収する導体の周り、およびより遠い距離でEMRを生成する目的を持つアンテナの周りに寄生的に現れます。

変化する磁気双極子場(すなわち、磁気近接場)は、多くのタイプの磁気誘導デバイスに商業的に使用されています。これらには、低周波数のモーターと電気変圧器、および高周波数の金属探知機MRIスキャナーコイルなどのデバイスが含まれます。時々、これらの高周波磁場は、遠方界波、したがって電波ではなく、無線周波数で変化します。RFIDタグを参照してください近距離無線通信も参照してください近接場EM効果の商業的なさらなる使用法は、仮想光子に関する記事に記載されています。、量子レベルでは、これらのフィールドはこれらの粒子によって表されるためです。放射線の量子像における遠方場効果(EMR)は、通常の光子で表されます。

その他

  • 電磁界は、静電気に関するデータを記録するために使用できます。
  • 古いテレビは電磁界で追跡できます。

健康と安全

電磁界が人間の健康に及ぼす潜在的な影響は、電磁界の周波数と強度によって大きく異なります。

電力線や電気機器を取り巻く超低周波EMFの潜在的な健康への影響は、進行中の研究とかなりの量の公開討論の対象となっています。米国国立労働安全衛生研究所(NIOSH)およびその他の米国政府機関は、EMFが健康に害を及ぼすことが証明されているとは考えていません。NIOSHはいくつかの警告勧告を出しましたが、データが現在制限されすぎて適切な結論を引き出すことができないことを強調しています。[13] 2011年、WHO /国際がん研究機関(IARC)は、無線に関連する悪性タイプの脳腫瘍である神経膠腫のリスクの増加に基づいて、高周波電磁界をヒトに対して発がん性がある可能性があると分類しました(グループ2B)。電話の使用。[14]

電気機器や設備で働く従業員は、常に電磁界にさらされていると想定できます。コンピュータやモニターなどによって生成された電界へのサラリーマンの曝露は、電界強度が低いため無視できます。ただし、高周波焼入れおよび溶融または溶接装置への産業設備は、かなり高い電界強度を生成する可能性があり、さらに調査する必要があります。メーカーの情報、同様のシステムとの比較、または分析計算に基づいてばく露を決定できない場合は、測定を行う必要があります。評価の結果は、労働者の安全と健康に対する潜在的な危険性を評価し、保護措置を定義するのに役立ちます。電磁界はパッシブまたはアクティブなインプラントに影響を与える可能性があるため労働者の場合、リスク評価では職場での曝露を個別に考慮することが不可欠です。[15]

一方、紫外線ガンマ線などの電磁スペクトルの他の部分からの放射線は、状況によっては重大な害を及ぼすことが知られています。特定の電磁現象および電磁スペクトルの一部による健康への影響の詳細については、次の記事を参照してください。

も参照してください

参考文献

  1. ^ リチャードファインマン(1970)。ファインマンの物理学に関する講義第2巻アディソンウェスリーロングマン。ISBN 978-0-201-02115-8「フィールド」とは、空間内のさまざまなポイントでさまざまな値をとる物理量です。
  2. ^ パーセル。p5-11; p61; p277-296
  3. ^ Purcell、p235:次に、一定の速度で移動する電荷による電界を計算します。球対称クーロン場とは等しくありません。
  4. ^ グリフィス、デビッドJ.(1999)。電気力学入門ニュージャージー州アッパーサドルリバー07458:プレンティスホール。pp。364  _ ISBN 0-13-805326-X{{cite book}}: CS1 maint: location (link)
  5. ^ スペンサー、ジェームスN。; etal。(2010)。化学:構造とダイナミクスジョン・ワイリー&サンズ。p。78. ISBN 9780470587119
  6. ^ Stauffer、Robert C.(1957)。「エルステッドの電磁気学の発見の背景にある推測と実験」。イシス48(1):33–50。土井10.1086 / 348537JSTOR226900_ S2CID120063434_  
  7. ^ Maxwell 1864 5、499ページ; また、 David J. Griffiths(1999)、電気力学入門、第3版、ed。Prentice Hall、pp。559-562 "(Gabriela、2009で引用)
  8. ^ グリフィス、デビッドJ.(1999)。電気力学入門ニュージャージー州アッパーサドルリバー、07458:プレンティス。pp。321  、第7.3章、マクスウェルの方程式ISBN 0-13-805326-X{{cite book}}: CS1 maint: location (link)
  9. ^ Hoag、JB(2009)。「真空管内の電子の速度」基本的なラジオ2019年6月22日取得
  10. ^ 電磁界(第2版)、Roald K. Wangsness、Wiley、1986年。ISBN0-471-81186-6 中級レベルの教科書) 
  11. ^ Schaumの電磁気学の理論と問題の概要(第2版)、Joseph A. Edminister、McGraw-Hill、1995年。ISBN0070212341 例と問題の実践) 
  12. ^ Field and Wave Electromagnetics(2nd Edition)、David K. Cheng、Prentice Hall、1989年。ISBN978-0-201-12819-2 中級レベルの教科書) 
  13. ^ 「NIOSHファクトシート:職場のEMF」アメリカ合衆国労働安全衛生研究所。1996 2015年8月31日取得
  14. ^ 「IARCは無線周波数電磁界をヒトに対して発がん性がある可能性があると分類している」(PDF)国際がん研究機関WHO 2022年1月4日取得
  15. ^ ドイツ社会事故保険の労働安全衛生研究所。「電磁界:重要なトピックとプロジェクト」

さらに読む

  • グリフィス、デビッドJ.(1999)。電気力学入門(第3版)。ニュージャージー州アッパーサドルリバー:プレンティスホール。ISBN 978-0138053260
  • マクスウェル、JC(1865年1月1日)。「電磁界の動的理論」。ロンドン王立学会の哲学的取引155:459–512。土井10.1098 /rstl.1865.0008S2CID186207827 _(この記事は、マクスウェルによる王立学会への1864年12月8日のプレゼンテーションに付随していました。)
  • パーセル、エドワードM。; モーリン、デビッドJ.(2012)。電気と磁気(第3版)。ケンブリッジ:ケンブリッジ大学 押す。ISBN 9781-10701-4022
  • グリーン、ブライアン。コスモスの生地NY、NY:ランダムハウス。(第3章:サブセクションForce、Matter、およびHiggs Field)

外部リンク