マクスウェルの式とExHの計算方法

このQ&Aのポイント
  • マクスウェルの方程式を使って、磁場のない真空中の静電場の中を電荷が負極へ落下する際のExHを計算する方法について解説します。
  • マクスウェルの式は、電磁波が出るための重要な関係式ですが、特に∇xE+∂tB=0の式に疑問があります。
  • 疑問点を解消し、EやHを計算する方法について詳しく説明します。
回答を見る
  • ベストアンサー

マクスウェルの式の立て方とExHの計算方法

磁場のない、真空中の静電場の中を負極へ落下する電荷qは、電磁波を出すと思いますが、 ExHは どう計算したらいいのでしょうか? 落下する方向をz軸にとると、マクスウェルの方程式は、 ∇・B=0 は、 ∂xBx+∂yBy+∂zBz=0 ∇xE+∂tB=0 は、 0+∂tB=0      。。。 ここが疑問(Bはどんどん増えるのに0とは?) ε∇・E=ρ は、 ∂xEx+∂yEy+∂zEz=ρ ∇xH-ε∂tE=j は、  ∂yHz-∂zHy-ε∂tEx=jx=0 → ∂yHz-∂zHy=0 ∂zHx-∂xHz-ε∂tEy=jy=0  → ∂zHx-∂xHz=0 ∂xHy-∂yHx-ε∂tEz=jz  → ∂xHy-∂yHx=qvz そして、m d/dt vz=qEz  → vz=qEz/m t        → ∂xHy-∂yHx=q^2Ez/m t ↑の疑問点は、、、 ∇xE+∂tB=0 のEを、∇xE≠0 と仮定すると、 ∂yEz-∂zEy +∂tBx=0 → ∂yEz-∂zEy=-μ∂tHx ∂zEx-∂xEz +∂tBy=0  → ∂zEx-∂xEz=-μ∂tHy ∂xEy-∂yEx +∂tBz=0  → ∂xEy-∂yEx=0 で合っているでしょうか? (こうしないと電磁波が出るようにならないと思うので) それで、これからどうやって、EやHを計算したらいいのでしょうか? (∂xHy-∂yHx を消去するのは すぐわかりますが)

質問者が選んだベストアンサー

  • ベストアンサー
回答No.2

>それで、このpdfのLarmor の公式の中の u がわかりません。 式をよく見てください。上にドットがついています。 だから式の中にあるのはユードットで加速度ベクトルです。 すぐ上ではβ=u/cが使われていて、ユードットはベータドットから出てきます。 >を見たのですが、非常に難しいことがわかりました。 そのとおりで非常に難しいのです。詳細はここで議論できる範疇を越えてると思いますので、しっかりとした説明がされている教科書を読んでください。

morimot703
質問者

お礼

すみません。 pdfを拡大して見るべきでした ^^; ありがとうございました。

その他の回答 (1)

回答No.1

放出される電磁波の計算なら遅延ポテンシャルを考えないとだめですよ。 少し高度な電磁気学の教科書で加速された荷電粒子からの放射について書いてあるところを見てください。 制動輻射、双極子輻射、チェレンコフ輻射などについて書いてあるところです。

morimot703
質問者

お礼

アドバイス、ありがとうございます。 おっしゃることは、シンクロトロン放射のようなことでは、と思います。 逆に、そのような高速(高加速度)でないと、電磁波は出ないのでしょうか? http://www.astr.tohoku.ac.jp/~chinone/pdf/Larmor.pdf を見たのですが、非常に難しいことがわかりました。 それで、このpdfのLarmor の公式の中の u がわかりません。 u(t0)=dx0(t0)/dt0 とありますが、uは、dx(t)/dt つまり電荷の速度 でいいしょうか? (等速度運動では、電磁波はでないので、なんかおかしいとは思いますが)

関連するQ&A

  • 微分方程式で式の変形 空気抵抗を受ける物体の落下

    質量mの物体が速度の2乗に比例する空気の抵抗を受けながら落下する問題を考えよう。 鉛直上向きにy軸をとり、時間をtとすると、速度はdy/dtで表される。重力加速度の大きさをg, 抵抗力を係数をkとすると、運動方程式は次のようになる。 m (d^2y)/(dt^2) = -mg + k(dy/dt)^2 この方程式にはyが含まれていない。 速度を v = dy/dt とおけば、(d^2y)/(dt^2) = dv/dt であるから、運動方程式(2.19)は次のようにvについての1階の微分方程式に帰着される。 dv/dt = -g + k/m v^2     (2.20) この微分方程式は、次のように変数分離形の1階常微分方程式であり 1/ (v^2 - mg/k) dv/dt = k/m 両辺をtで積分すると 1/{2√(mg/k)} ∫[1/{(v-√(mg/k)} - 1/{(v+√(mg/k)}] dv = k/m ∫dt log |{v-√(mg/k)}/{v+√(mg/k)}| = 2√(kg/m)t + C     (2.21) ここで、t=0 で v=0 として物体の落下だけを考えることにすると、y軸は鉛直上向きを正の方向としているので t>0 では v=dy/dt<0 dv/dt<0 となる。 したがって、式(2.20)から0<-v<√(mg/k)であることがわかり、式(2.21)からvは次のようになる。 v=dy/dt = -√(mg/k) * [1-e^{-2√(kg/m)t - C}] / [1+e^{-2√(kg/m)t - C}]     (2.22) ・・・と本に書いてあるんですが、どうやってこの(2.22)を導き出したのかが分かりません。 勘でやってみますと、 log |{v-√(mg/k)}/{v+√(mg/k)}| = 2√(kg/m)t + C     (2.21) の両辺でeをとって e^[log |{v-√(mg/k)}/{v+√(mg/k)}|] = e^{2√(kg/m)t + C} |{v-√(mg/k)}/{v+√(mg/k)}| = e^{2√(kg/m)t + C} |{v-√(mg/k)}| = e^{2√(kg/m)t + C} * |{v+√(mg/k)}| やっぱり分かりません。教えてください。お願いします。

  • 空気抵抗の問題

    速度vベクトルに比例した抵抗力-mγvベクトルを受ける場合の放物運動について。 運動方程式はmvx/dt=-mγvx mvy/dt=-mγvy mvz/dt=-mγvz-mg 初期位置を原点、初速度の水平成分、鉛直成分をそれぞれv0x,v0zとするとき、初速度をv0ベクトル(v0x,0,v0z)として,運動方程式を積分すると、vx=v0xe^-γt,vy=0,vz=v0ze^-γt-g(1-e^-γt)/γ とあるのですが、なぜ積分した結果が、このようになるのかまったくわかりません。普通に計算したら、eとかは出てこないと思うのですが・・・ どなたか教えていただけたら幸いです。

  • キャリア(自由電子)濃度について

    ホール効果測定によって、キャリア濃度が求まりますが、 そのときのキャリア濃度の単位は単位体積あたり([1/m^3])となりますよね。 これを普通の単位計算ではなく(磁場や電流の単位あわせではなく)、 電磁誘導の式、▽×E=-(∂B/∂t) (▽、E、Bはベクトル) から、キャリア濃度が[1/m^3]となることを示したいんですが、微分すると単位がどうなるのかわかりません。 どうかご教授お願いします。

  • 3次元空間での2直線の交点の求め方

    悩んでおります.御力添えを願います. 以下の条件下にて,2つの直線式を求め,その交点を求めようとしております. 1.点p(a0,b0,c0)と点q(a1,b1,c1)の座標は既知. 2.点s(d,e,f)は,座標は未知であるが,点p,点qへ向けて2つの直線を延ばしており,それぞれの直線の傾きが既知. 以上の条件をもとに,点s(d,e,f)の座標を求めようとしています. 私の考えた手法は,以下の物ですが上手くいきません. 1.点sから伸びる2つの直線の方向余弦を求める. 例)vx = r * cosα,vy = r * cosβ, vz = r * cosγ (上記の様に2点へと伸びる直線の方向余弦をそれぞれ求める) 2.求めた方向余弦と,点p,点qを用いて2つの直線式を表す. 例)x = a0 + vx0 * t, y = b0 + vy0 * t, z = c0 + vz0 * t x = a1 + vx1 * s, y = b1 + vy1 * s, z = c1 + vz1 * s    3.誤差を考慮し,2直線間の距離が1番小さくなる2点を求める. 例)(距離)^2 = {a0 + vx0 * t - a1 - vx1 * s}^2 = {b0 + vy0 * t - b1 - vy1 * s}^2 = {c0 + vz0 * t - c1 - vz1 * s}^2     上記の式をs,tに関して偏微分してやり,それぞれを0として連立 方程式を解き,s,tを求める.   求めたs,tを各直線式に代入してやり,2直線間の距離が最も短く なる2点を求める. 4.その2点の線分上の中点を求め,点s(d,e,f)とする. 上記手法で求めようとしましたが,どうも点sの座標が求まりません. 点sで方向余弦を求めるのが駄目なのでしょうか? 2直線間の距離が最も短くなる2点の求め方が駄目なのでしょうか? 幾何学初心者なため,混乱しております. 宜しくお願いいたします.

  • 【電磁気学】真空中の平面電磁波の問題です。

    周波数f=150MHzの平面電磁波が真空中を+x方向に進行しています。 電界はZ方向を向いており、t=0[s]のとき、x=0.25[m]で最大値1[mv/m]になっています。 e(x,t)を求めたいのですが、e(x,t)=Az*Emax*cos(ωt-βoX+φ)にEmaxとωとβoとφを代入すればいいんですよね? ωはω=2πf、βoはβo=ω/c、φはωt-βoX+φ=0からωとβoを代入し求める。これはあっているでしょうか? またEmaxはどうやって求めればいいんでしょうか? あと、このときの磁界の向きは+y方向であっていますか? よろしくお願いします(__

  • Lorentz力をベクトルポテンシャルで書きたいのだが。。。

    式の変形の質問です。 あるテキストに電磁場E、Bの中での荷電粒子の運動方程式はLorentz力を受けて m(dv/dt)=q(E+v×B)となります。ここで電磁場を電磁ポテンシャルAで表すと E+v×B=-∇Φ-(∂A/∂t)+v×(∇×A) (1) =-∇Φ-(dA/dt)+∇v・A (2) ここで(dA/dt)=(∂A/∂t)+v・∇Aを使った。 となっていました。 さて、ここから質問なのですが(1)→(2)のベクトル演算の変形(v×(∇×A)=∇v・A-v・∇A)がどうしても出てこない。どなたかひとつよろしくお願いします。

  • 教科書の章末問題です。

    周波数150Mzの平面電磁波が比誘電率4、比透磁率1の媒質中を+x方向に進行しています。電界はz方向を向いており、t=0のとき、x=0.25mで最大値1mV/mになっています。このとき (1)位相定数βを求めなさい。 (2)初期位相Φを求めなさい。 (3)E(x,t)の瞬時値の式を求めなさい。 という問題で(1)(2)は解けたのですが(3)がわかりません。。どなたか教えてください。。お願いします。。

  • 電磁気学、平面電磁波の問題

    電磁気学の問題なのですが、わからないところがあります。 教えていただけないでしょうか? 周波数f=150MHzの平面電磁波が比誘電率εr=4、比透磁率μr=1の媒質中を+x方向に進行しています。 電界はZ方向を向いており、t=0[s]のとき、x=0.25[m]で最大値1[mv/m]になっています。 (1)この波の波長 (2)φの値 (3)Eの瞬時式 (4)t=10^-8[s]のとき、電界が最大値となる位置はどこか (5)hの瞬時式 (1)はλ=c/fから。 (2)はω=2πfよりωが、β=ω/cよりβがそれぞれ求められ、ωt-βx+φ=0よりφを求める。 (3)~(5)はやり方がわかりません。 (1)(2)はあっているでしょうか? また(3)~(5)のやり方を教えてください(___

  • 超伝導体中のオームの法則

    超伝導体中のオームの法則 次の問題が分かりません。。。 非磁性金属中に、質量m、電気量qの点電荷が数密度Nで分布している。 電荷の速度をv→、真空の透磁率をμ0とする。 オームの法則はi_e→=Ne^2τE→/mであり、 ここでτは緩和時間である。 電荷が散乱をまったく受けない超伝導体中の場合、 外部電場E→と電流密度j→について ∂j→/∂t=Nq^2E→/mの関係が成り立つことを示せ。

  • 一様な電磁場での荷電粒子の挙動のプログラミング

    一様な電磁場での電子・陽子の動きをfortran77でプログラミングしようと思ったのですが、なかなかうまくいきません。数値設定も全て自分でやっているのであまり自信はないのですが・・・ 何かおかしなところや直した方がいいところがあれば助言の方よろしくお願いします。。。 implicit none real*8 me,re(3),ve(3),E(3),B(3),qe,Te,dte real*8 mp,rp(3),vp(3),Tp,dtp,time,qp c 初期値の設定 me=9.1d-31 ! 電子の質量 mp=1.67d-27 ! 陽子の質量 qe=-1.6d-19 ! 電子の電荷 qp=1.6d-19 ! 陽子の電荷 re(1)=0.0 re(2)=0.0 ! 電子の位置 re(3)=0.0 ve(1)=1.0d4 ve(2)=0.0 ! 電子の速度 ve(3)=0.0 rp(1)=0.0 rp(2)=0.0 ! 陽子の位置 rp(3)=0.0 vp(1)=1.0d4 vp(2)=0.0 ! 陽子の速度 vp(3)=0.0 E(1)=0.0 E(2)=1.0d-3 ! 電場 E(3)=0.0 B(1)=0.0 B(2)=0.0 ! 磁場 B(3)=1.0d-5 dte=-1.0d-5 dtp=1.0d-4 open(unit=10,file='densi.dat',status='unknown') do time=0.0,0.1,dte write(10,*) time,re,ve call lorentz(re,ve,E,B,qe,me,dte,Te) enddo close(10) open(unit=20,file='yousi.dat',status='unknown') do time=0.0,0.1,dtp write(20,*) time,rp,vp call lorentz(rp,vp,E,B,qp,mp,dtp,Tp) enddo close(20) stop end c ローレンツの計算 subroutine lorentz(r,v,E,B,q,m,dt,T) real*8 r(3),v(3),E(3),B(3),q,m,dt,T v(1)=v(1)+q*(E(1)+(v(2)*B(3)-v(3)*B(2)))*dt/m v(2)=v(2)+q*(E(2)+(v(3)*B(1)-v(1)*B(3)))*dt/m v(3)=v(3)+q*(E(3)+(v(1)*B(2)-v(2)*B(1)))*dt/m r(1)=r(1)+v(1)*dt r(2)=r(2)+v(2)*dt r(3)=r(3)+v(3)*dt T=(m*((v(1)**2)+(v(2)**2)+(v(3)**2)))/2 return end