電場の「場」って一体何よ?



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電場の定義

電磁気学をやるとまず初めに習うのがクーロン力であるが、その次に習うのが、おそらく「電場」である。

そして教科書に書いてある通り誰もがこう習う。

「空間内の位置rに十分小さい、電荷qを置いた時にその小電荷が、力F(r)を受けたなら、その位置の電場は単位電荷あたりの力、すなわちベクトル
\begin{eqnarray}
E(r)=\frac{1}{q}F(r) [\mathrm{N/C}]
\end{eqnarray}
で与えられる」、と。

「電場」の定義を覚えるしかないのか?

こういう質問をするとたまにこういう人がいます。「これは定義だから覚えるしかない」定義とはそういうものだって。しかしそれは違います。それはあくまで「原理」の話です。「原理(そういうものだと受け入れることでしか、議論が先に進まないもの)」があって、「定義」が存在します。そしてその「定義」の上に成り立つのが「定理」です。

なので、「定義」とは「原理」から導かれるものだと言っても過言ではないです。「原理」が何かイメージできない人は「ユークリッド原論」を読んで見てください。

我々からしたら当たり前じゃんと思うことしか書いていないはずです(少し言い過ぎかもしれませんが)。

  • 「点」とは部分を持たないものである
  • 「線」とは幅を持たないものである。
  • 等しいものに等しいものを加えた同士は等しい

とか、以上は一例ですが、「原理」がどういうものかイメージできたんじゃないでしょうか。「慣性の法則」も原理です。

  • 外力が働いていない時に物体は、直前の運動をし続けるものである。

 

「電場」とはどういう状態か?

電場の話に戻します。

なので、「電場」は「電磁気学を議論する上で、それを仮定して話を進めた際に、原理に反さないもの」と言えます。

先に、電荷が定義されている今、「電荷が作用する空間」を「電荷が存在しない空間」と差別化する必要がありますね。そのためにファラデーやマクスウェルが電荷が存在する空間に「電場」なる空間を「定めた」のです。

もう少し詳しく書くと以下のようになります。

電荷Qが存在すれば、その周りの空間が電荷がなかった時と比べて、異なる状態になり、そのことを電荷Qがその周りの空間に「電場を生み出した」といいます。そしてその状態にある空間(電場)内に他の微小電荷qが持ち込まれたならば、qはその空間、つまり電場から力を受けます。

 



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地球の例で考える

地球があれば、その質量Mが周りの空間を地球がなかった時とは異なる状態にし、それを地球の質量がその周りの空間に「重力場を生み出した」という。そして、その状態にある空間、つまり重力場、内に持ち込まれた物体(月や人工衛星)は、その空間(重力場)から力を受けるということです。

一言であらわすと

上記のことから「場」とは空間のこのような物理的状態を言います。

 

どうでしょうか?学校の授業でいきなり定義とか説明されても理解できない自分がいたので、定義の前に「場」の概念を少しでも多くの人に知ってもらえれば光栄です。



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投稿者:

中村 俊

中村 俊

1993/09/04生まれ。機械系大学院を休学し、ベンチャーでインターンしている最中。直近では、デカルトの「方法序説」に感銘を受けた。 趣味:読書、web開発の勉強、異分野の論文読んだり、記事書いたり。 最終的には経営者か研究者になりたい。

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