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東京工業大学 工学院 電気電子系 2019年8月実施 電磁気学2

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Zero

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直流電流の作る磁界に関する,以下の設問 (1) および (2)に答えよ。

(1) xyx-y 平面上で,原点 O を中心とする半径 aa の円周を直流電流 II が流れている。 この時,zz 軸上の点 P(0,0,z1)P(0,0,z_1) における磁束密度 B1\boldsymbol{B}_1 を求めたい。その導出に関する以下の文章の空欄① \sim ⑥を,適切な式または言葉で埋めよ(同一の番号には同一の式または言葉が入る)。なお,真空の透磁率を μ0\mu_0 とする。本問では,ベクトルはボールド体で表記するものとする。

「図 2.1 のように円電流の微小線素ベクトル dsd\boldsymbol{s} が,PP の位置に作る磁束密度を dBd\boldsymbol{B} とし,これを dBzd\boldsymbol{B}_z とそれに垂直な成分 dBd\boldsymbol{B}_{\perp} に分け,dBz=dBzdB_z = |d\boldsymbol{B}_z| とする。dBd\boldsymbol{B}_{\perp} については円電流全体からの寄与を合計すると消しあうので,積分すると B=(1)|\boldsymbol{B}_{\perp}| = (\textcircled{1}) となる。次に dBzdB_z を求める。微小線素 dsd\boldsymbol{s} から点 PP に向かうベクトルを R\boldsymbol{R} とし,その大きさ RRR=RR = |\boldsymbol{R}| と定義すると,(2)(\textcircled{2}) の法則により,外積を ×\times で表すものとして dB=μ04πIdsRR3d\boldsymbol{B} = \frac{\mu_0}{4\pi}I\frac{d\boldsymbol{s} \leftrightarrow \boldsymbol{R}}{R^3} である。dsd\boldsymbol{s}R\boldsymbol{R} は直交しているので,dBd\boldsymbol{B} の大きさ dB=dBdB = |d\boldsymbol{B}|μ0,I,a,z1\mu_0,I,a,z_1 および ds=dsds = |d\boldsymbol{s}| を用いて表すと dB=(3)dB = (\textcircled{3}) となる。一方,dBd\boldsymbol{B}zz 軸のなす角 φ\varphi につき,aa および z1z_1 を用いると,cosφ=(4)\cos\varphi = (\textcircled{4}) となる。そこで μ0,I,a,z1\mu_0,I,a,z_1 および dsds を用いて dBz=(5)dB_z = (\textcircled{5}) を得る。⑤ を円電流全体について積分することにより,μ0,I,a,z1\mu_0,I,a,z_1 を用いて B1\boldsymbol{B}_1zz 成分 BzB_zBz=(6)B_z = (\textcircled{6}) と表すことができる。よって,直交座標成分で書くと B1=(1,1,6)\boldsymbol{B}_1 = (\textcircled{1}, \textcircled{1}, \textcircled{6}) と,B1\boldsymbol{B}_1 が求められた。」

(2) 図 2.22.2 のように,断面が長方形のコアに細い導線が巻かれた環状コイルがあり(図の破線部分にもコイルは存在する),その内半径は aa , 外半径は bb , 厚さは hh であるとする。コアの表面に沿って,導線は十分に密に巻かれており,巻き数は全体で NN である。このとき,以下の設問に答えよ。ただし,コアの透磁率を μ\mu とする。

  • (a) コアの内側 (a<r<b,0θ<2π,h/2<z<h/2)(a < r < b,0 \le \theta <2\pi, -h/2 < z <h/2) では,図 2.22.2 のような円柱座標系 (r,θ,z)(r,\theta,z) を用いると,コイルに流れる直流電流 JJ による磁界が
Br=Bz=0,Bθ=μNJ/(2πr)B_r = B_z = 0,B_{\theta} = \mu NJ/(2\pi r)

となることを示せ。

  • (b) コアの外側では,コイルに流れる直流電流 JJ による磁界がゼロとなることを説明せよ。

  • (c) コアの断面 (a<r<b,0θ<2π,h/2<z<h/2)(a < r < b,0 \le \theta <2\pi, -h/2 < z <h/2) を貫く磁束 Φ\Phi は,次式で表されることを示せ。ただし,ln(x)\ln(x)xx の自然対数を表す。

Φ=μNJh2πln(ba)\Phi = \frac{\mu NJh}{2\pi}\ln\big(\frac{b}{a}\big)
  • (d) 環状コイル全体に蓄えられた磁界のエネルギー UU を求めよ。

  • (e) この環状コイルの自己インダクタンス LL を求めよ。

Kai

(1)

① 0

② ビオ・サバールの法則より、

dB=μ0I4πr2ds=μ0I4π(a2+z12)dsdB = \frac{\mu_0 I}{4\pi r^2}ds = \frac{\mu_0 I}{4\pi(a^2 + z_1^2)}ds

μ0I4π(a2+z12)ds\frac{\mu_0 I}{4\pi(a^2 + z_1^2)}ds

aa2+z12\frac{a}{\sqrt{a^2 + z_1^2}}
dBz=μ0I4π(a2+z12)dsaa2+z12=μ0Ia4π(a2+z12)32ds\begin{aligned} dB_z &= \frac{\mu_0 I}{4\pi(a^2 + z_1^2)}ds \cdot \frac{a}{\sqrt{a^2 + z_1^2}} \\ &= \frac{\mu_0 I a}{4\pi(a^2 + z_1^2)^{\frac{3}{2}}}ds \end{aligned}

μ0Ia4π(a2+z12)32ds\frac{\mu_0 I a}{4\pi(a^2 + z_1^2)^{\frac{3}{2}}}ds
Bz=02πμ0Ia4π(a2+z12)32adθ=μ0Ia22(a2+z12)32\begin{aligned} B_z &= \int_0^{2\pi} \frac{\mu_0 I a}{4\pi(a^2 + z_1^2)^{\frac{3}{2}}}ad\theta \\ &= \frac{\mu_0 I a^2}{2(a^2 + z_1^2)^{\frac{3}{2}}} \end{aligned}

μ0Ia22(a2+z12)32\frac{\mu_0 I a^2}{2(a^2 + z_1^2)^{\frac{3}{2}}}

(2)

(a)

アンペールの法則より、積分路を円周上にすると、

2πrBθ=μNJBθ=μNJ2πr2\pi r B_{\theta} = \mu NJ \Rightarrow B_{\theta} = \frac{\mu NJ}{2\pi r}

(b)

積分路 C1C_1 でアンペールの法則を用いると、

H3lH4l=0H3=H4H_3 l - H_4 l = 0 \Rightarrow H_3 = H_4

積分路 C2C_2 でも同様にして

H1lH2l=NJlH1H2=NJH_1 l - H_2 l = NJl \Rightarrow H_1 - H_2 = NJ

H4H_4 は無限遠で 00 より、H3=0SH_3 = 0S

よって、H2=0H_2 = 0 より、H1=NJH_1 = NJ となり。

コアの外側では,磁界がゼロとなる。

(c)

Φ=BS=habμNJ2πrdr=μNhJ2πab1rdr=μNhJ2πlogba\begin{aligned} \Phi &= BS \\ &= h\int_a^b \frac{\mu NJ}{2\pi r}dr \\ &= \frac{\mu NhJ}{2\pi} \int_a^b \frac{1}{r}dr \\ &= \frac{\mu NhJ}{2\pi} \log \frac{b}{a} \end{aligned}

(d)

U=u12μB2du=h02πab12μμ2N2J24π2r2rdrdθ=μhN2J28π202πdθab1rdr=μhN2J28π22π[logr]ab=μhN2J24πlogba\begin{aligned} U &= \iiint_u \frac{1}{2\mu}B^2 du \\ &= h \int_0^{2\pi}\int_a^b \frac{1}{2\mu} \cdot \frac{\mu^2N^2J^2}{4\pi^2 r^2} rdrd\theta \\ &= \frac{\mu h N^2 J^2}{8\pi^2} \cdot \int_0^{2\pi} d\theta \int_a^b \frac{1}{r}dr \\ &= \frac{\mu hN^2 J^2}{8\pi^2} \cdot 2\pi \bigg[\log r\bigg]_a^b \\ &= \frac{\mu h N^2 J^2}{4 \pi} \log \frac{b}{a} \end{aligned}

(e)

12LJ2=12J2μhN22πlogba\frac{1}{2}LJ^2 = \frac{1}{2}J^2 \cdot \frac{\mu h N^2}{2\pi} \log \frac{b}{a}

従って、

L=μhN22πlogbaL = \frac{\mu h N^2}{2\pi} \log\frac{b}{a}