電磁気学

物理学
ウィキポータル物理学執筆依頼・加筆依頼
物理学
ウィキプロジェクト物理学
カテゴリ物理学

電磁気学（でんじきがく、（英: electromagnetism^[1]^[2]^[3]^[4]）は、物理学の分野の1つであり、基本相互作用のひとつである電磁相互作用に関する現象を扱う学問である。^[1]^[2]^[3]^[4]工学分野では、電気磁気学と呼ばれることもある。^[5]電磁気学の基礎は、19世紀にスコットランドの科学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルが導き出した、マクスウェルの方程式によって定式化された。マクスウェルの方程式は、「物理学における2番目の大きな統一」と呼ばれる。^[6] 本稿では学問としての電磁気学全般について述べるにとどめ、より詳細な理論については古典電磁気学、歴史については電磁気学の年表に譲る。

電磁気学の概要

電磁気学は、電磁的現象を考察の対象とする。電磁的現象としては、

磁石が鉄を引き寄せる事
摩擦した琥珀が軽い物体を引き寄せる事
雷や稲妻

などが古来から知られている。^[7]^[8]現在では身の周りの殆ど全ての現象が電磁的現象として理解できる事が知られている^[要出典]。

電磁気学は、これらの電磁的現象を電荷と電磁場の相互作用として説明する理論体系である。^[1]^[2]^[3]^[4] 電荷は物質に固有の物理量であり、物質と電磁場との結び付きの強さを表す量である^[要出典]。また、電磁場は時空の各点が持っている物理量であり^{[独自研究?]}、物質間の電気的作用と磁気的作用を媒介する。

電磁場としては、スカラーポテンシャルとベクトルポテンシャルの組、もしくは電場と磁場の組を考える。特にこれらの組を区別したい場合には前者を電磁ポテンシャル、後者を電磁場と呼ぶことがある。また、電場・磁場は直接的観測が可能であるが電磁ポテンシャルは観測によって一意に定めることができない。しかし、電場・磁場では説明できないが電磁ポテンシャルでは記述できる現象が存在する（アハラノフ＝ボーム効果など）ので、電磁ポテンシャルの方が本質的な物理量であると考えられている^[要出典]。

電磁場は電荷を帯びた物体に力を及ぼす。この力をローレンツ力という。逆に、荷電粒子の存在は電磁場に影響を与える。電磁場の振る舞い、及び電荷・電流が電磁場に与える影響はマクスウェル方程式で記述される。^[9]^[10]このローレンツ力とマクスウェル方程式は、電磁気学における最も基礎的な法則である。

マクスウェル方程式の解の1つとして、電磁場の波である電磁波が得られる。電磁波は、波長や発生機構によって呼び名が変わる。^[11]電気通信などに用いられる波長の長い電磁波は電波、それより波長が短くなると光（赤外線、可視光線、紫外線）、更に波長が短い電磁波は、X線、^[12]ガンマ線などと呼ばれる。^[13]

歴史

→「電磁気学の年表」を参照

電磁気学関連のSI単位

国際単位系（SI）の電磁気の単位
名称	記号	次元	組立	物理量
アンペア（SI基本単位）	A	I	A	電流
クーロン	C	T I	A·s	電荷（電気量）
ボルト	V	L² T⁻³ M I⁻¹	J/C = kg·m²·s⁻³·A⁻¹	電圧・電位
オーム	Ω	L² T⁻³ M I⁻²	V/A = kg·m²·s⁻³·A⁻²	電気抵抗・インピーダンス・リアクタンス
オーム・メートル	Ω·m	L³ T⁻³ M I⁻²	kg·m³·s⁻³·A⁻²	電気抵抗率
ワット	W	L² T⁻³ M	V·A = kg·m²·s⁻³	電力・放射束
ファラド	F	L⁻² T⁴ M⁻¹ I²	C/V = kg⁻¹·m⁻²·A²·s⁴	静電容量
ファラド毎メートル	F/m	L⁻³ T⁴ I² M⁻¹	kg⁻¹·m⁻³·A²·s⁴	誘電率
毎ファラド（ダラフ）	F⁻¹	L² T⁻⁴ M I⁻²	V/C = kg¹·m²·A⁻²·s⁻⁴	エラスタンス
ボルト毎メートル	V/m	L T⁻³ M I⁻¹	kg·m·s⁻³·A⁻¹	電場（電界）の強さ
クーロン毎平方メートル	C/m²	L⁻² T I	C/m²= m⁻²·A·s	電束密度
ジーメンス	S	L⁻² T³ M⁻¹ I²	Ω⁻¹ = kg⁻¹·m⁻²·s³·A²	コンダクタンス・アドミタンス・サセプタンス
ジーメンス毎メートル	S/m	L⁻³ T³ M⁻¹ I²	kg⁻¹·m⁻³·s³·A²	電気伝導率（電気伝導度・導電率）
ウェーバ	Wb	L² T⁻² M I⁻¹	V·s = J/A = kg·m²·s⁻²·A⁻¹	磁束
テスラ	T	T⁻² M I⁻¹	Wb/m² = kg·s⁻²·A⁻¹	磁束密度
アンペア回数	A	I	A	起磁力
アンペア毎メートル	A/m	L⁻¹ I	m⁻¹·A	磁場（磁界）の強さ
アンペア毎ウェーバ	A/Wb	L⁻² T² M⁻¹ I²	kg⁻¹·m⁻²·s²·A²	磁気抵抗（リラクタンス、英: reluctance）
ヘンリー	H	L² T⁻² M I⁻²	Wb/A = V·s/A = kg·m²·s⁻²·A⁻²	インダクタンス・パーミアンス
ヘンリー毎メートル	H/m	L T⁻² M I⁻²	kg·m·s⁻²·A⁻²	透磁率

他の分野との関連

電気工学

ローレンツ力が作用する導体中の電子の運動をオームの法則（電流は電場に比例する、という法則）で近似し、電場の時間変化による磁場の生成（マクスウェル方程式の一部）を無視すると、準定常電流の理論が得られる。この理論は、電気工学の基礎理論であり、現代のエレクトロニクスの基礎を成している。電場の強さ（電界強度）の単位は[V/m]なので、アンテナの実効長[m]または実効高[m]を掛けると、アンテナの誘起電圧 [V]になる。

電磁光学

電磁光学は、光は電磁波であるという立場から光の性質を論ずる学問である。^[14]ここでも電磁気学におけるマクスウェル方程式が基礎となっている。

量子力学

19世紀末、多くの物理学者は「全ての物理現象はニュートン力学、ローレンツ力、マクスウェル方程式で原理的には説明できる」と考えていた。

しかしその後、ニュートン力学と電磁気学では説明できない現象が次々に発見された。光電効果、黒体放射のエネルギー密度、コンプトン効果は光を粒子であると考えると説明できるが、このことは電磁気学における「光は電磁波である」という描像に反する。また、電磁気学によればラザフォードの原子模型は安定に存在しえないことが結論づけられるが、実際の原子は安定である。

ニュートン力学・電磁気学で記述できないようなこれらの現象を記述しようと努力した結果が、量子力学という全く新しい物理学の誕生である。^[15]^[16]^[17]^[18]

1940年代には、電磁気学の量子論である量子電磁力学（QED）が完成した。^[19]^[20]^[21]量子電磁力学では、電磁場と荷電粒子の場の両方が量子化され、荷電粒子間の相互作用は電磁場の量子である光子の交換として理解される。

特殊相対性理論

マクスウェル方程式によると、真空中の電磁波の速度は慣性系の選び方によらない基本的な物理定数（電気定数と磁気定数）だけで定まる。実際、真空中の光速は慣性系によらず一定であること（光速度不変の原理^[22]）は実験的に立証されている。^[23]^[24]特殊相対性理論は、この光速度不変の原理と特殊相対性原理を指導原理として、アインシュタインが構築した理論である。^[25]^[26]^[27]

参考文献

J. D. Jackson "Classical Electrodynamics" 3rd edition Wiley
砂川重信　「理論電磁気学」　紀伊國屋書店
後藤憲一、山崎修一郎　「詳解電磁気学演習」　共立出版

脚注

[脚注の使い方]

出典

^ ^a ^b ^c Grant, I. S., & Phillips, W. R. (2013). Electromagnetism. John Wiley & Sons.
^ ^a ^b ^c Jones, D. S. (2013). The theory of electromagnetism. Elsevier.
^ ^a ^b ^c Slater, J. C., & Frank, N. H. (1969). Electromagnetism. Courier Corporation.
^ ^a ^b ^c Lorrain, P., & Corson, D. R. (1979). Electromagnetism. WH Freeman.
^ 山田直平, & 桂井誠. (1983). 電気磁気学. オーム社.
^ Nahin, P.J. (1992). “Maxwell's grand unification”. IEEE Spectrum 29 (3): 45. doi:10.1109/6.123329.
^ 杉沼義隆. (2004). 古代の伝承と歴史と雷. 電気学会誌, 124(3), 178-181.
^ Remillard, W. J. (1961). The history of thunder research. Weather, 16(8), 245-253.
^ 小宮山進. (2016). マクスウェル方程式から始める電磁気学. 大学の物理教育, 22(2), 79-82.
^ 北野正雄. (2009). マクスウェル方程式: 電磁気学のよりよい理解のために. サイエンス社.
^ Staelin, D. H., Morgenthaler, A. W., & Kong, J. A. (1994). Electromagnetic waves. Pearson Education India.
^ Als-Nielsen, J., & McMorrow, D. (2011). Elements of modern X-ray physics. John Wiley & Sons.
^ Gilmore, G. (2011). Practical gamma-ray spectroscopy. John Wiley & Sons.
^ Born, M., & Wolf, E. (2013). Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light. Elsevier.
^ Sakurai, J. J., & Longman, A. W. (1976). Quantum mechanics. Addison-Wesley.
^ Flügge, S. (2012). Practical quantum mechanics. Springer Science & Business Media.
^ Jammer, M. (1966). The conceptual development of quantum mechanics (pp. 96-97). New York: McGraw-Hill.
^ Ballentine, L. E. (2014). Quantum mechanics: a modern development. World Scientific Publishing Company.
^ Greiner, W., & Reinhardt, J. (2008). Quantum electrodynamics. Springer Science & Business Media.
^ Białynicki-Birula, I., & Białynicka-Birula, Z. (2013). Quantum electrodynamics (Vol. 70). Elsevier.
^ 木下東一郎. (1974). 量子電磁力学の現状. 日本物理学会誌, 29(6), 471-479.
^ 安孫子誠也. (2005). 光速度不変の原理―ローレンツ-ポアンカレ理論とアインシュタイン理論の本質的相違 (< 特集> 2005 世界物理年). 大学の物理教育, 11(1), 9-13.
^ Abdo, A., Ackermann, M., Ajello, M. et al. A limit on the variation of the speed of light arising from quantum gravity effects . Nature 462, 331–334 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08574
^ 大野雅功, 高橋忠幸, & 河合誠之. ガンマ線バースト天体現象を使ってアインシュタインの光速度不変原理を検証. 宇宙航空研究開発機構・宇宙科学研究本部. (PDF)
^ 渡辺博. (2006). 学んで 100 年: 特殊相対性理論. 科学哲学, 39(2), 33-41.
^ 高原文郎. (2012). 特殊相対論. 培風館.
^ "Special relativity: electromagnetism". Scholarpedia.

外部リンク

『電磁気学』 - コトバンク

[gp-1] Grant, I. S., & Phillips, W. R. (2013). Electromagnetism. John Wiley & Sons.

[jones-2] Jones, D. S. (2013). The theory of electromagnetism. Elsevier.

[sf-3] Slater, J. C., & Frank, N. H. (1969). Electromagnetism. Courier Corporation.

[lc-4] Lorrain, P., & Corson, D. R. (1979). Electromagnetism. WH Freeman.

[5] 山田直平, & 桂井誠. (1983). 電気磁気学. オーム社.

[6] Nahin, P.J. (1992). “Maxwell's grand unification”. IEEE Spectrum 29 (3): 45. doi:10.1109/6.123329.

[7] 杉沼義隆. (2004). 古代の伝承と歴史と雷. 電気学会誌, 124(3), 178-181.

[8] Remillard, W. J. (1961). The history of thunder research. Weather, 16(8), 245-253.

[9] 小宮山進. (2016). マクスウェル方程式から始める電磁気学. 大学の物理教育, 22(2), 79-82.

[10] 北野正雄. (2009). マクスウェル方程式: 電磁気学のよりよい理解のために. サイエンス社.

[11] Staelin, D. H., Morgenthaler, A. W., & Kong, J. A. (1994). Electromagnetic waves. Pearson Education India.

[12] Als-Nielsen, J., & McMorrow, D. (2011). Elements of modern X-ray physics. John Wiley & Sons.

[13] Gilmore, G. (2011). Practical gamma-ray spectroscopy. John Wiley & Sons.

[14] Born, M., & Wolf, E. (2013). Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light. Elsevier.

[15] Sakurai, J. J., & Longman, A. W. (1976). Quantum mechanics. Addison-Wesley.

[16] Flügge, S. (2012). Practical quantum mechanics. Springer Science & Business Media.

[17] Jammer, M. (1966). The conceptual development of quantum mechanics (pp. 96-97). New York: McGraw-Hill.

[18] Ballentine, L. E. (2014). Quantum mechanics: a modern development. World Scientific Publishing Company.

[19] Greiner, W., & Reinhardt, J. (2008). Quantum electrodynamics. Springer Science & Business Media.

[20] Białynicki-Birula, I., & Białynicka-Birula, Z. (2013). Quantum electrodynamics (Vol. 70). Elsevier.

[21] 木下東一郎. (1974). 量子電磁力学の現状. 日本物理学会誌, 29(6), 471-479.

[22] 安孫子誠也. (2005). 光速度不変の原理―ローレンツ-ポアンカレ理論とアインシュタイン理論の本質的相違 (< 特集> 2005 世界物理年). 大学の物理教育, 11(1), 9-13.

[23] Abdo, A., Ackermann, M., Ajello, M. et al. A limit on the variation of the speed of light arising from quantum gravity effects . Nature 462, 331–334 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08574

[24] 大野雅功, 高橋忠幸, & 河合誠之. ガンマ線バースト天体現象を使ってアインシュタインの光速度不変原理を検証. 宇宙航空研究開発機構・宇宙科学研究本部. (PDF)

[25] 渡辺博. (2006). 学んで 100 年: 特殊相対性理論. 科学哲学, 39(2), 33-41.

[26] 高原文郎. (2012). 特殊相対論. 培風館.

[27] "Special relativity: electromagnetism". Scholarpedia.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

表話編歴電磁気学
基本	電気磁性
静電気学	電荷クーロンの法則電場電束ガウスの法則電位静電誘導電気双極子分極電荷
静磁気学	アンペールの法則電流磁場磁化磁束ビオ・サバールの法則磁気モーメントガウスの法則
電気力学	自由空間ローレンツ力起電力電磁誘導ファラデーの法則レンツの法則変位電流マクスウェルの方程式電磁場電磁波リエナール・ヴィーヘルト・ポテンシャル（英語版）マクスウェル・テンソル渦電流
電気回路	電気伝導電圧キルヒホッフの法則電気抵抗静電容量インダクタンス交流インピーダンスアドミタンス共鳴空洞導波管
共変定式	電磁場テンソル 4元電流密度電磁ポテンシャル電磁場の応力エネルギーテンソル（英語版）
人物	アンペールクーロンファラデーガウスオームヘヴィサイドヘンリーヘルツキルヒホフローレンツマクスウェルテスラボルタヴェーバーエルステッド
カテゴリ

表話編歴電気・電力
主要項目	電力電気電力会社日本の電力会社エネルギーエネルギー効率
電力流通	電力系統系統連系発電設備の運用電気工作物商用電源電線路(送電線) 発電発電所発電機発電設備変電変電所変電設備借室電気室移動変電所送電電線路交流送電直流送電配電受電設備三相4線式三相3線式単相3線式単相2線式変成器変圧器変流器遮断器・開閉器電柱電線鉄塔
項目	電力自由化発送電分離日本卸電力取引所商用電源周波数電流戦争消費電力ワット年間消費電力量待機電力電費埋蔵電力電力量電力量計(電気メーター) スマートメーター電力機器電気製品の一覧電機メーカー停電電力需給ひっ迫警報節電電気工事電気工事士電気自動車電池電気鉄道鉄道の電化電気回路電子回路電力回路電気楽器電灯電気関係法令
学問	電気工学電力工学静電気学電気力学電磁気学
基礎用語	直流交流電圧電流消費電力電気抵抗電荷電力量電子オームの法則アンペールの法則
関連テンプレート	発電の種類日本の電気事業者電動機電磁気学
Category:電気 Category:電力

表話編歴物理学の分野
古典・量子	古典物理学（古典論）半古典論量子物理学（量子論）
研究方法	理論物理学計算物理学実験物理学（高エネルギー物理学）
基礎理論	力学古典力学ニュートン力学解析力学連続体力学流体力学熱力学統計力学電磁気学量子力学相対論的量子力学場の量子論相対性理論特殊相対性理論一般相対性理論
研究対象	素粒子物理学原子核物理学核構造物理学ハドロン物理学宇宙物理学宇宙論物性物理学固体物理学表面科学低温物理学ソフトマター物理学高分子物理学原子物理学分子物理学光学音響学プラズマ物理学
境界領域	数理物理学化学物理学生物物理学地球物理学大気物理学海洋物理学農業物理学土壌物理学医学物理学保健物理学放射線物理学
その他	現代物理学応用物理学物理数学
カテゴリ

表話編歴物理学の基本相互作用
物理力	強い相互作用電弱相互作用弱い相互作用電磁相互作用重力
放射	電磁放射重力波
仮説上の力	第5の力クインテッセンス弱い重力予想（英語版）
en:Glossary of physics 素粒子物理学物理学の哲学宇宙 en:Weakless Universe

典拠管理データベース
国立図書館	フランス BnF data ドイツイスラエルアメリカ日本チェコ
その他	IdRef