解析力学から様々な理論分野を組み立てる 第2部 第6章 §2.6.4 ★★★ ∇ ⋅ B = 0 \nabla\cdot\bm{B}=0 ∇ ⋅ B = 0 と Faraday の法則は作用の停留から出るのでなく、F = ∂ A − ∂ A F=\partial A-\partial A F = ∂ A − ∂ A の恒等式(Bianchi 恒等式)
Bianchi 恒等式
F μ ν = ∂ μ A ν − ∂ ν A μ F_{\mu\nu}=\partial_\mu A_\nu-\partial_\nu A_\mu F μν = ∂ μ A ν − ∂ ν A μ に、3つの添字を巡回させた微分を当てて足すと
∂ λ F μ ν + ∂ μ F ν λ + ∂ ν F λ μ = 0 (2.6.17) \partial_\lambda F_{\mu\nu}+\partial_\mu F_{\nu\lambda}+\partial_\nu F_{\lambda\mu}=0\tag{2.6.17} ∂ λ F μν + ∂ μ F ν λ + ∂ ν F λ μ = 0 ( 2.6.17 )
が、A μ A_\mu A μ がどんな関数であっても成り立つ。左辺を A A A で書くと6つの項 ∂ λ ∂ μ A ν − ∂ λ ∂ ν A μ + ∂ μ ∂ ν A λ − ∂ μ ∂ λ A ν + ∂ ν ∂ λ A μ − ∂ ν ∂ μ A λ \partial_\lambda\partial_\mu A_\nu-\partial_\lambda\partial_\nu A_\mu+\partial_\mu\partial_\nu A_\lambda-\partial_\mu\partial_\lambda A_\nu+\partial_\nu\partial_\lambda A_\mu-\partial_\nu\partial_\mu A_\lambda ∂ λ ∂ μ A ν − ∂ λ ∂ ν A μ + ∂ μ ∂ ν A λ − ∂ μ ∂ λ A ν + ∂ ν ∂ λ A μ − ∂ ν ∂ μ A λ になり、偏微分の順序を入れ替えてよいので2つずつ打ち消し合う。これを Bianchi 恒等式と呼ぶ。λ , μ , ν \lambda,\mu,\nu λ , μ , ν のうち2つが等しいと左辺は F F F の反対称性で自明に 0 0 0 なので、意味があるのは3つが異なる場合で、{ 0 , 1 , 2 , 3 } \{0,1,2,3\} { 0 , 1 , 2 , 3 } から3つを選ぶ4通りある。
( λ , μ , ν ) = ( 1 , 2 , 3 ) (\lambda,\mu,\nu)=(1,2,3) ( λ , μ , ν ) = ( 1 , 2 , 3 ) では、F 23 = − B x F_{23}=-B_x F 23 = − B x 、F 31 = − B y F_{31}=-B_y F 31 = − B y 、F 12 = − B z F_{12}=-B_z F 12 = − B z から
∂ x F 23 + ∂ y F 31 + ∂ z F 12 = − ∇ ⋅ B = 0. (2.6.18) \partial_xF_{23}+\partial_yF_{31}+\partial_zF_{12}=-\nabla\cdot\bm{B}=0 .\tag{2.6.18} ∂ x F 23 + ∂ y F 31 + ∂ z F 12 = − ∇ ⋅ B = 0. ( 2.6.18 )
( λ , μ , ν ) = ( 0 , 1 , 2 ) (\lambda,\mu,\nu)=(0,1,2) ( λ , μ , ν ) = ( 0 , 1 , 2 ) では、F 12 = − B z F_{12}=-B_z F 12 = − B z 、F 20 = − E y / c F_{20}=-E_y/c F 20 = − E y / c 、F 01 = E x / c F_{01}=E_x/c F 01 = E x / c から
1 c ∂ F 12 ∂ t + ∂ x F 20 + ∂ y F 01 = − 1 c ( ∂ B z ∂ t + ∂ x E y − ∂ y E x ) = − 1 c ( ∂ B ∂ t + ∇ × E ) z = 0. (2.6.19) \frac1c\frac{\partial F_{12}}{\partial t}+\partial_xF_{20}+\partial_yF_{01}=-\frac1c\Bigl(\frac{\partial B_z}{\partial t}+\partial_xE_y-\partial_yE_x\Bigr)=-\frac1c\Bigl(\frac{\partial \bm{B}}{\partial t}+\nabla\times\bm{E}\Bigr)_z=0 .\tag{2.6.19} c 1 ∂ t ∂ F 12 + ∂ x F 20 + ∂ y F 01 = − c 1 ( ∂ t ∂ B z + ∂ x E y − ∂ y E x ) = − c 1 ( ∂ t ∂ B + ∇ × E ) z = 0. ( 2.6.19 )
( 0 , 2 , 3 ) (0,2,3) ( 0 , 2 , 3 ) と ( 0 , 3 , 1 ) (0,3,1) ( 0 , 3 , 1 ) も同じ形で x x x 成分と y y y 成分になるので、4通りから
∇ ⋅ B = 0 , ∇ × E + ∂ B ∂ t = 0 \nabla\cdot\bm{B}=0,\qquad\nabla\times\bm{E}+\frac{\partial \bm{B}}{\partial t}=0 ∇ ⋅ B = 0 , ∇ × E + ∂ t ∂ B = 0
が出る。磁荷が無いことと Faraday の電磁誘導の法則である。
方程式と恒等式の違い
前の節の2本と、この節の2本は、出どころが違う。前の節の2本は作用 S [ A ] S[A] S [ A ] を停留させる A A A だけが満たす式で、停留しない(運動方程式を満たさない)場の配置では成り立たない。この節の2本は、E , B \bm{E},\bm{B} E , B を式 (2.6.2) で作れば、作用の停留と無関係に、どんな A A A についても成り立つ。粒子の力学に当てはめると、前者は Euler–Lagrange 方程式、後者は「速度は位置の時間微分である」という定義に当たる。
逆に、∇ ⋅ B = 0 \nabla\cdot\bm{B}=0 ∇ ⋅ B = 0 と ∇ × E + ∂ t B = 0 \nabla\times\bm{E}+\partial_t\bm{B}=0 ∇ × E + ∂ t B = 0 を満たす E , B \bm{E},\bm{B} E , B は、(単連結な領域では)必ず式 (2.6.2) の形に書ける。∇ ⋅ B = 0 \nabla\cdot\bm{B}=0 ∇ ⋅ B = 0 から B = ∇ × A \bm{B}=\nabla\times\bm{A} B = ∇ × A と書け、Faraday の法則に入れると ∇ × ( E + ∂ t A ) = 0 \nabla\times(\bm{E}+\partial_t\bm{A})=0 ∇ × ( E + ∂ t A ) = 0 なので E + ∂ t A = − ∇ ϕ \bm{E}+\partial_t\bm{A}=-\nabla\phi E + ∂ t A = − ∇ ϕ と書ける。したがって、場の変数を A μ A_\mu A μ に取ることと、Bianchi 恒等式の2本を先に解いておくことは同じである。磁荷 ρ m \rho_{\mathrm m} ρ m があって ∇ ⋅ B ≠ 0 \nabla\cdot\bm{B}\neq0 ∇ ⋅ B = 0 となる世界では、B = ∇ × A \bm{B}=\nabla\times\bm{A} B = ∇ × A と書けなくなり、この章の作用はそのままでは使えない。
図 2.6.2 Maxwell 方程式の4本の出どころ。左の列は A μ A_\mu A μ を場の変数に取った時点で成り立つ恒等式、右の列は作用の停留から出る方程式と、それが解を持つための条件
例題 2.6.4 一様に強くなる磁場と誘導電場 ★★
オリジナル ϕ = 0 \phi=0 ϕ = 0 、A = B ( t ) 2 ( − y , x , 0 ) \bm{A}=\frac{B(t)}{2}(-y,\,x,\,0) A = 2 B ( t ) ( − y , x , 0 ) とする。B ( t ) = B 0 + B ˙ t B(t)=B_0+\dot Bt B ( t ) = B 0 + B ˙ t (B ˙ \dot B B ˙ は定数)。
(1) B \bm{B} B と E \bm{E} E を求めよ。
(2) ∇ × E + ∂ t B = 0 \nabla\times\bm{E}+\partial_t\bm{B}=0 ∇ × E + ∂ t B = 0 が成り立つことを確かめ、それがこの A \bm{A} A の選び方によらない理由を述べよ。
(3) B ˙ = 0.1 T s − 1 \dot B=0.1\,\mathrm{T\,s^{-1}} B ˙ = 0.1 T s − 1 のとき、z z z 軸を中心とする半径 r = 5 c m r=5\,\mathrm{cm} r = 5 cm の円の上での電場の大きさと、円を1周する起電力を求めよ。
解答 (1) B = ∇ × A \bm{B}=\nabla\times\bm{A} B = ∇ × A の z z z 成分は ∂ x A y − ∂ y A x = B 2 + B 2 = B ( t ) \partial_xA_y-\partial_yA_x=\frac B2+\frac B2=B(t) ∂ x A y − ∂ y A x = 2 B + 2 B = B ( t ) で、x , y x,y x , y 成分は A A A が z z z によらず A z = 0 A_z=0 A z = 0 なので 0 0 0 。よって B = B ( t ) e z \bm{B}=B(t)\,\bm{e}_z B = B ( t ) e z 。電場は E = − ∂ t A = − B ˙ 2 ( − y , x , 0 ) \bm{E}=-\partial_t\bm{A}=-\frac{\dot B}{2}(-y,\,x,\,0) E = − ∂ t A = − 2 B ˙ ( − y , x , 0 ) で、大きさは ∣ E ∣ = B ˙ r / 2 \lvert \bm{E}\rvert =\dot B\,r/2 ∣ E ∣ = B ˙ r /2 (r = x 2 + y 2 r=\sqrt{x^2+y^2} r = x 2 + y 2 )、向きは z z z 軸のまわりを A \bm{A} A と逆に回る向きである。
(2) ( ∇ × E ) z = ∂ x E y − ∂ y E x = − B ˙ 2 − B ˙ 2 = − B ˙ (\nabla\times\bm{E})_z=\partial_xE_y-\partial_yE_x=-\frac{\dot B}{2}-\frac{\dot B}{2}=-\dot B ( ∇ × E ) z = ∂ x E y − ∂ y E x = − 2 B ˙ − 2 B ˙ = − B ˙ 、x , y x,y x , y 成分は 0 0 0 で、∂ t B = B ˙ e z \partial_t\bm{B}=\dot B\,\bm{e}_z ∂ t B = B ˙ e z なので和は 0 0 0 。これは E = − ∇ ϕ − ∂ t A \bm{E}=-\nabla\phi-\partial_t\bm{A} E = − ∇ ϕ − ∂ t A と B = ∇ × A \bm{B}=\nabla\times\bm{A} B = ∇ × A から ∇ × E = − ∂ t ( ∇ × A ) = − ∂ t B \nabla\times\bm{E}=-\partial_t(\nabla\times\bm{A})=-\partial_t\bm{B} ∇ × E = − ∂ t ( ∇ × A ) = − ∂ t B (∇ × ∇ ϕ = 0 \nabla\times\nabla\phi=0 ∇ × ∇ ϕ = 0 )となる恒等式で、A \bm{A} A の具体形を使っていない。この例で Euler–Lagrange 方程式(Gauss・Ampère–Maxwell)は使っておらず、A \bm{A} A をどう選んでも Faraday の法則は満たされる。
(3) ∣ E ∣ = B ˙ r / 2 = 0.1 × 0.05 / 2 = 2.5 × 10 − 3 V m − 1 \lvert \bm{E}\rvert =\dot B r/2=0.1\times0.05/2=2.5\times10^{-3}\,\mathrm{V\,m^{-1}} ∣ E ∣ = B ˙ r /2 = 0.1 × 0.05/2 = 2.5 × 1 0 − 3 V m − 1 。起電力は ∮ E ⋅ d l \oint\bm{E}\cdot\mathrm{d}\bm{l} ∮ E ⋅ d l の大きさで2 π r ⋅ B ˙ r / 2 = π r 2 B ˙ = 7.85 × 10 − 4 V 2\pi r\cdot\dot Br/2=\pi r^2\dot B=7.85\times10^{-4}\,\mathrm V 2 π r ⋅ B ˙ r /2 = π r 2 B ˙ = 7.85 × 1 0 − 4 V 、すなわち円を貫く磁束 π r 2 B \pi r^2B π r 2 B の時間変化に等しい。回る向きは B \bm{B} B の増加を打ち消す電流を流す向き(Lenz の法則)になっている。
AI(Claude)が書いた教材を、木下が勉強しながら公開しています。式と数値は検算していますが、誤りが残っているかもしれません。誤りのご指摘・削除のご依頼をいただければ直します。 連絡先:support@tecktom.com