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) x − y x-y x − y 平面上で,原点 O を中心とする半径 a a a の円周を直流電流 I I I が流れている。 この時,z z z 軸上の点 P ( 0 , 0 , z 1 ) P(0,0,z_1) P ( 0 , 0 , z 1 ) における磁束密度 B 1 \boldsymbol{B}_1 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 μ 0 \mu_0 μ 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 d s d\boldsymbol{s} d s が,P P P の位置に作る磁束密度を d B d\boldsymbol{B} d B とし,これを d B z d\boldsymbol{B}_z d B z とそれに垂直な成分 d B ⊥ d\boldsymbol{B}_{\perp} d B ⊥ に分け,d B z = ∣ d B z ∣ dB_z = |d\boldsymbol{B}_z| d B z = ∣ d B z ∣ とする。d B ⊥ d\boldsymbol{B}_{\perp} d B ⊥ 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}) ∣ B ⊥ ∣ = ( 1 ◯ ) となる。次に d B z dB_z d B z を求める。微小線素 d s d\boldsymbol{s} d s から点 P P P に向かうベクトルを R \boldsymbol{R} R とし,その大きさ R R R を R = ∣ R ∣ R = |\boldsymbol{R}| R = ∣ R ∣ と定義すると,( 2 ◯ ) (\textcircled{2}) ( 2 ◯ ) の法則により,外積を × \times × で表すものとして d B = μ 0 4 π I d s ↔ R R 3 d\boldsymbol{B} = \frac{\mu_0}{4\pi}I\frac{d\boldsymbol{s} \leftrightarrow \boldsymbol{R}}{R^3} d B = 4 π μ 0 I R 3 d s ↔ R である。d s d\boldsymbol{s} d s と R \boldsymbol{R} R は直交しているので,d B d\boldsymbol{B} d B の大きさ d B = ∣ d B ∣ dB = |d\boldsymbol{B}| d B = ∣ d B ∣ を μ 0 , I , a , z 1 \mu_0,I,a,z_1 μ 0 , I , a , z 1 および d s = ∣ d s ∣ ds = |d\boldsymbol{s}| d s = ∣ d s ∣ を用いて表すと d B = ( 3 ◯ ) dB = (\textcircled{3}) d B = ( 3 ◯ ) となる。一方,d B d\boldsymbol{B} d B と z z z 軸のなす角 φ \varphi φ につき,a a a および z 1 z_1 z 1 を用いると,cos φ = ( 4 ◯ ) \cos\varphi = (\textcircled{4}) cos φ = ( 4 ◯ ) となる。そこで μ 0 , I , a , z 1 \mu_0,I,a,z_1 μ 0 , I , a , z 1 および d s ds d s を用いて d B z = ( 5 ◯ ) dB_z = (\textcircled{5}) d B z = ( 5 ◯ ) を得る。⑤ を円電流全体について積分することにより,μ 0 , I , a , z 1 \mu_0,I,a,z_1 μ 0 , I , a , z 1 を用いて B 1 \boldsymbol{B}_1 B 1 の z z z 成分 B z B_z B z を B z = ( 6 ◯ ) B_z = (\textcircled{6}) B z = ( 6 ◯ ) と表すことができる。よって,直交座標成分で書くと B 1 = ( 1 ◯ , 1 ◯ , 6 ◯ ) \boldsymbol{B}_1 = (\textcircled{1}, \textcircled{1}, \textcircled{6}) B 1 = ( 1 ◯ , 1 ◯ , 6 ◯ ) と,B 1 \boldsymbol{B}_1 B 1 が求められた。」
(2) 図 2.2 2.2 2.2 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 a a a , 外半径は b b b , 厚さは h h h 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 N N N 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 μ とする。
(a) コアの内側 ( a < r < b , 0 ≤ θ < 2 π , − h / 2 < z < h / 2 ) (a < r < b,0 \le \theta <2\pi, -h/2 < z <h/2) ( a < r < b , 0 ≤ θ < 2 π , − h /2 < z < h /2 ) では,図 2.2 2.2 2.2 のような円柱座標系 ( r , θ , z ) (r,\theta,z) ( r , θ , z ) を用いると,コイルに流れる直流電流 J J J による磁界が
B r = B z = 0 , B θ = μ N J / ( 2 π r ) B_r = B_z = 0,B_{\theta} = \mu NJ/(2\pi r) B r = B z = 0 , B θ = μ N J / ( 2 π 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 J J J 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 , 0 ≤ θ < 2 π , − h / 2 < z < h / 2 ) (a < r < b,0 \le \theta <2\pi, -h/2 < z <h/2) ( a < r < b , 0 ≤ θ < 2 π , − h /2 < z < h /2 ) を貫く磁束 Φ \Phi Φ は,次式で表されることを示せ。ただし,ln ( x ) \ln(x) ln ( x ) は x x x の自然対数を表す。
Φ = μ N J h 2 π ln ( b a ) \Phi = \frac{\mu NJh}{2\pi}\ln\big(\frac{b}{a}\big) Φ = 2 π μ N J h ln ( a b )
Kai
(1)
① 0
② ビオ・サバールの法則より、
d B = μ 0 I 4 π r 2 d s = μ 0 I 4 π ( a 2 + z 1 2 ) d s dB = \frac{\mu_0 I}{4\pi r^2}ds = \frac{\mu_0 I}{4\pi(a^2 + z_1^2)}ds d B = 4 π r 2 μ 0 I d s = 4 π ( a 2 + z 1 2 ) μ 0 I d s
③
μ 0 I 4 π ( a 2 + z 1 2 ) d s \frac{\mu_0 I}{4\pi(a^2 + z_1^2)}ds 4 π ( a 2 + z 1 2 ) μ 0 I d s
④
a a 2 + z 1 2 \frac{a}{\sqrt{a^2 + z_1^2}} a 2 + z 1 2 a
d B z = μ 0 I 4 π ( a 2 + z 1 2 ) d s ⋅ a a 2 + z 1 2 = μ 0 I a 4 π ( a 2 + z 1 2 ) 3 2 d s \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} d B z = 4 π ( a 2 + z 1 2 ) μ 0 I d s ⋅ a 2 + z 1 2 a = 4 π ( a 2 + z 1 2 ) 2 3 μ 0 I a d s
⑤
μ 0 I a 4 π ( a 2 + z 1 2 ) 3 2 d s \frac{\mu_0 I a}{4\pi(a^2 + z_1^2)^{\frac{3}{2}}}ds 4 π ( a 2 + z 1 2 ) 2 3 μ 0 I a d s
B z = ∫ 0 2 π μ 0 I a 4 π ( a 2 + z 1 2 ) 3 2 a d θ = μ 0 I a 2 2 ( a 2 + z 1 2 ) 3 2 \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} B z = ∫ 0 2 π 4 π ( a 2 + z 1 2 ) 2 3 μ 0 I a a d θ = 2 ( a 2 + z 1 2 ) 2 3 μ 0 I a 2
⑥
μ 0 I a 2 2 ( a 2 + z 1 2 ) 3 2 \frac{\mu_0 I a^2}{2(a^2 + z_1^2)^{\frac{3}{2}}} 2 ( a 2 + z 1 2 ) 2 3 μ 0 I a 2
(2)
(a)
アンペールの法則より、積分路を円周上にすると、
2 π r B θ = μ N J ⇒ B θ = μ N J 2 π r 2\pi r B_{\theta} = \mu NJ \Rightarrow B_{\theta} = \frac{\mu NJ}{2\pi r} 2 π r B θ = μ N J ⇒ B θ = 2 π r μ N J
(b)
積分路 C 1 C_1 C 1 でアンペールの法則を用いると、
H 3 l − H 4 l = 0 ⇒ H 3 = H 4 H_3 l - H_4 l = 0 \Rightarrow H_3 = H_4 H 3 l − H 4 l = 0 ⇒ H 3 = H 4
積分路 C 2 C_2 C 2 でも同様にして
H 1 l − H 2 l = N J l ⇒ H 1 − H 2 = N J H_1 l - H_2 l = NJl \Rightarrow H_1 - H_2 = NJ H 1 l − H 2 l = N J l ⇒ H 1 − H 2 = N J
H 4 H_4 H 4 は無限遠で 0 0 0 より、H 3 = 0 S H_3 = 0S H 3 = 0 S
よって、H 2 = 0 H_2 = 0 H 2 = 0 より、H 1 = N J H_1 = NJ H 1 = N J となり。
コアの外側では,磁界がゼロとなる。
(c)
Φ = B S = h ∫ a b μ N J 2 π r d r = μ N h J 2 π ∫ a b 1 r d r = μ N h J 2 π log b a \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} Φ = BS = h ∫ a b 2 π r μ N J d r = 2 π μ N h J ∫ a b r 1 d r = 2 π μ N h J log a b
(d)
U = ∭ u 1 2 μ B 2 d u = h ∫ 0 2 π ∫ a b 1 2 μ ⋅ μ 2 N 2 J 2 4 π 2 r 2 r d r d θ = μ h N 2 J 2 8 π 2 ⋅ ∫ 0 2 π d θ ∫ a b 1 r d r = μ h N 2 J 2 8 π 2 ⋅ 2 π [ log r ] a b = μ h N 2 J 2 4 π log b a \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} U = ∭ u 2 μ 1 B 2 d u = h ∫ 0 2 π ∫ a b 2 μ 1 ⋅ 4 π 2 r 2 μ 2 N 2 J 2 r d r d θ = 8 π 2 μ h N 2 J 2 ⋅ ∫ 0 2 π d θ ∫ a b r 1 d r = 8 π 2 μ h N 2 J 2 ⋅ 2 π [ log r ] a b = 4 π μ h N 2 J 2 log a b
(e)
1 2 L J 2 = 1 2 J 2 ⋅ μ h N 2 2 π log b a \frac{1}{2}LJ^2 = \frac{1}{2}J^2 \cdot \frac{\mu h N^2}{2\pi} \log \frac{b}{a} 2 1 L J 2 = 2 1 J 2 ⋅ 2 π μ h N 2 log a b
従って、
L = μ h N 2 2 π log b a L = \frac{\mu h N^2}{2\pi} \log\frac{b}{a} L = 2 π μ h N 2 log a b