電磁場

電磁場（EM場とも呼ばれる）は、空間と時間で変化する物理場であり、電荷によって生成され、電荷に作用する電気的および磁気的影響を表します。^{[ 1 ]}空間と時間の任意の点における場は、電場と磁場の組み合わせとみなすことができます。場の相互関係により、電場の乱れは磁場の乱れを引き起こし、それが今度は電場に影響を与え、空間を伝播する振動、すなわち電磁波を引き起こします。^{[ 2 ] [ 3 ]}

数学的に言えば、電磁場は空間の各点における電場と磁場を表すベクトルのペアである。これらのベクトルは、マクスウェル方程式に従って時間と空間とともに変化する。また、これらのベクトルは特殊相対性理論の法則に従うため、観測者によって異なるベクトルが観測される可能性がある。

電荷と電流（すなわち電荷の流れ）が電磁場とどのように相互作用するかは、マクスウェル方程式^{[ 4 ]}とローレンツ力法則^{[ 5 ]}によって記述されます。マクスウェル方程式は、電場が電荷に向かって収束または発散する様子、磁場が電流の周りをどのように渦巻くか、電場と磁場の変化が互いにどのように影響し合うかを詳細に説明しています。ローレンツ力法則は、電場にさらされた電荷は電場の方向に沿って力を受け、磁場の中を移動する電荷は磁場と移動方向の両方に垂直な力を受けると述べています。

電磁場は古典場理論の一例である古典電磁気学によって記述されます。この理論は多くの巨視的な物理現象を正確に記述します。^{[ 6 ]}しかし、原子スケールでの実験である光電効果や原子吸光分光法を説明することはできませんでした。そのためには量子力学、特に電磁場の量子化と量子電磁気学の発展が必要でした。

電磁気の経験的調査は、少なくとも紀元前600年頃の古代ギリシャの哲学者、数学者、科学者であるミレトスのタレスの 時代まで遡ります。タレスは、琥珀などのさまざまな物質に動物の毛皮をこすりつけて静電気を発生させる実験について記述しています。^{[ 7 ]} 18世紀までには、物体は正または負の電荷を帯びることができ、同じ符号の電荷を帯びた2つの物体は互いに反発し合い、反対の符号の電荷を帯びた2つの物体は互いに引き合い、この力の強さは物体間の距離の2乗に反比例することが理解されていました。マイケル・ファラデーは、電荷が電場を介して相互作用するという観点からこれを視覚化しました。電荷の特性を測定する観測者に対して電荷が静止しているときに電場が生成され、電荷が移動してこの観測者に対して電流を生成するときには、磁場と電場の両方が生成されます。時が経つにつれて、電場と磁場は、より大きな全体である電磁場の2つの部分として考える方が適切であることが認識されました。 1820年、ハンス・クリスチャン・エルステッドは、電流が近くの方位磁針の針を偏向させることを示し、電気と磁気が密接に関連した現象であることを確立した。^{[ 8 ]}その後、ファラデーは1831年に、時間的に変化する磁場が電流を誘起できるという画期的な観察を行った。

1861年、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、それまでの電気現象と磁気現象に関する研究をすべて統合し、単一の数学理論を構築しました。そして、そこから光が電磁波であることを導き出しました。マクスウェルの連続場理論は、物質の原子モデルを支持する証拠が現れるまで非常に成功を収めました。1877年からヘンドリック・ローレンツは電磁気の原子モデルを開発し、1897年にはJJトムソンが電子を定義する実験を完了しました。ローレンツ理論は電磁場中の自由電荷には有効ですが、原子や分子内の束縛電荷のエネルギースペクトルを予測することはできません。この問題を解決するには量子力学が必要であり、最終的に量子電磁力学の理論へとつながりました。

電磁場に関する新たな理解の実際的な応用は、1800年代後半に現れた。電気発電機や電動機は、ファラデーの法則やアンペールの法則といった経験的な発見と、実際の経験のみに基づいて発明されたのである。

電磁場を表す数学的な方法はいくつかあります。1つ目は、電場と磁場を3次元ベクトル場として捉える方法です。これらのベクトル場はそれぞれ、空間と時間のすべての点で値が定義されており、そのため空間座標と時間座標の関数として扱われることがよくあります。このように、電場はE ( x , y , z , t ) 、磁場はB ( x , y , z , t )と表記されることがよくあります。

電場（E）のみがゼロではなく、時間的に一定である場合、その場は静電場であると言われます。同様に、磁場（B）のみがゼロではなく、時間的に一定である場合、その場は静磁場であると言われます。しかし、電場または磁場のいずれかが時間依存性を持つ場合、両方の場はマクスウェル方程式を使用して結合電磁場として一緒に考慮する必要があります。^{[ 9 ]}

特殊相対性理論の登場により、物理法則はテンソルの形式体系に適合するようになった。マクスウェル方程式はテンソル形式で記述することができ、物理学者の間では一般的に、物理法則を表現するより洗練された手段とみなされている。

静電気学、静磁気学、電気力学（電磁場）のいずれの場合においても、電場と磁場の挙動はマクスウェル方程式によって支配される。ベクトル場の形式では、これらは次のようになる。

ガウスの法則

${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\varepsilon _{0}}}}$

ガウスの磁気の法則

${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {B} =0}$

ファラデーの法則

${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$

アンペール・マクスウェルの法則

${\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {J} +\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}}$

どこ${\displaystyle \rho }$は電荷密度であり、時間と位置の関数である。$\displaystyle \varepsilon _{0}}$は真空の誘電率です。$\displaystyle \mu _{0}}$は真空の透磁率、Jは電流密度ベクトルであり、これも時間と位置の関数です。線形材料内部では、マクスウェル方程式は、自由空間の透磁率と誘電率を、対象となる線形材料の透磁率と誘電率に置き換えることで変化します。電磁場に対してより複雑な応答を示す他の材料内部では、これらの項はしばしば複素数、すなわちテンソルで表されます。

ローレンツ力法則は、電磁場と荷電物質との相互作用を支配する。

場が異なる媒体を通過する際、場の挙動は媒体の特性に応じて変化する。^{[ 10 ]}

電磁界が人体に及ぼす潜在的な影響は、電磁界の周波数、強度、および曝露時間によって大きく異なります。低周波数、低強度、短時間の電磁放射線への曝露は、一般的に安全であると考えられています。^{[ 17 ]}一方、紫外線^{[ 18 ]}やガンマ線^{[ 19 ]}など、電磁スペクトルの他の部分からの放射線は、状況によっては重大な害を引き起こすことが知られています。

• ウィキメディア・コモンズにある電磁場関連のメディア