電磁場

電磁場（EM場とも呼ばれる）は、位置と時間の数学的関数である物理的な場であり、電荷への影響と電荷による影響を表す。^[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見なすことができる。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、いわゆる電磁波を引き起こす。^{[2] [3]}

電荷と電流（電荷の流れ）が電磁場と相互作用する方法は、マクスウェル方程式^[4]とローレンツ力の法則^[5]によって説明されます。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方法、磁場が電流の周りを回る方法、電場と磁場の変化が互いに影響し合う方法を詳細に説明しています。ローレンツ力の法則は、電場の影響を受ける電荷は場の方向に沿った力を感じ、磁場を通って移動する電荷は磁場とその移動方向の両方に垂直な力を感じることを述べています。

電磁場は古典電気力学によって記述され、古典場理論の一例である。この理論は多くのマクロな物理現象を正確に記述する。^{[6]しかし、}光電効果や原子吸光分光法など、原子スケールでの実験は説明できなかった。そのためには量子力学、具体的には電磁場の量子化と量子電気力学の開発が必要だった。

電磁気学の実証的研究は、少なくとも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と同じくらい古く、紀元前600年頃には、琥珀などのさまざまな素材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した。^[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、同じ符号の電荷を帯びた2つの物体は互いに反発し、反対符号の電荷を帯びた2つの物体は互いに引き合うこと、そしてこの力の強さは物体間の距離の2乗に比例して弱まることが理解されていました。マイケル・ファラデーは、これを電場を介して相互作用する電荷という観点から視覚化しました。電荷が、その特性を測定する観測者に対して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、電場だけでなく磁場も生成されます。時が経つにつれて、電場と磁場は、より大きな全体、つまり電磁場の2つの部分として考えた方がよい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、電流が近くのコンパスの針を偏向させることができることを示して、電気と磁気が密接に関連した現象であることを証明しました。^[8]その後、ファラデーは1831年に、時間とともに変化する磁場が電流を誘導できるという画期的な観察を行いました。

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て、光が電磁波であると推論しました。マクスウェルの連続場理論は、物質の原子モデルを裏付ける証拠が現れるまでは、非常に成功していました。1877年以降、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、電磁場内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。この問題には量子力学が必要であり、最終的には量子電気力学の理論につながります。

電磁場に関する新たな理解の実用的応用は 1800 年代後半に登場しました。発電機とモーターは、ファラデーやアンペールの法則などの経験的発見と実際の経験のみを組み合わせて発明されました。

電磁場を表現する数学的な方法はいくつかあります。最初の方法は、電場と磁場を 3 次元のベクトル場と見なす方法です。これらのベクトル場はそれぞれ、空間と時間のあらゆる点で定義された値を持ち、そのため空間と時間の座標の関数と見なされることがよくあります。そのため、これらはE ( x , y , z , t ) (電場) やB ( x , y , z , t ) (磁場) と記述されることがよくあります。

電場（E）のみがゼロでなく、時間的に一定である場合、その場は静電場と呼ばれます。同様に、磁場（B）のみがゼロでなく、時間的に一定である場合、その場は静磁気場と呼ばれます。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えなければなりません。^[9]

特殊相対性理論の出現により、物理法則はテンソルの形式化に適応可能となった。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、物理学者からは物理法則を表現するよりエレガントな手段と一般に考えられている。

電場と磁場の挙動は、静電気、静磁気、電気力学(電磁場) のいずれの場合も、マクスウェル方程式によって決まります。ベクトル場の形式では、次のようになります。

ガウスの法則

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

磁気に関するガウスの法則

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

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

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

ここで、は電荷密度で、時間と位置の関数、は真空の誘電率、は真空の透磁率、Jは電流密度ベクトルで、これも時間と位置の関数です。線形物質の内部では、マクスウェル方程式は自由空間の透磁率と誘電率を、問題の線形物質の透磁率と誘電率と入れ替えることによって変化します。電磁場に対してより複雑な応答を示す他の物質の内部では、これらの項は複素数またはテンソルで表されることがよくあります。 ${\displaystyle \rho }$${\displaystyle \varepsilon _{0}}$${\displaystyle \mu _{0}}$

ローレンツ力の法則は、電磁場と荷電物質の相互作用を支配します。

場が異なる媒体を通過すると、その媒体の特性に応じて場の挙動が変化する。^[10]

マクスウェル方程式は、空間の各点における電荷密度が時間とともに変化せず、すべての電流も同様に一定である場合に単純化されます。方程式からすべての時間微分が消え、電場を含む2つの式 と 磁場を含む2つの式が残ります。 および これらの式は、電荷が移動しない状況に焦点を当てた静電気学と、磁気現象の対応する領域である静磁気学 の基本方程式です。 ^[11]$${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\epsilon _{0}}}}$$$${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =0,}$$$${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {B} =0}$$$${\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {J} .}$$

物理的効果が電場によるものか磁場によるものかは、特殊相対論によって数学的に明確にされる方法で、観察者に依存します。たとえば、実験室に電流を流す長い直線の電線があるとします。実験室が静止している基準フレームでは、電線は静止しており、電気的に中性です。負に帯電した電子で構成される電流は、正に帯電したイオンの背景に対して動き、正電荷と負電荷の密度は互いに打ち消されます。電線の近くの試験電荷は、電線から電気力を感じません。ただし、試験電荷が電流と平行に動いている場合は、状況が変わります。試験電荷の静止フレームでは、電線内の正電荷と負電荷は異なる速度で動いているため、正電荷と負電荷の分布は異なる量だけローレンツ収縮します。その結果、電線の正味電荷密度はゼロではなく、試験電荷はゼロではない電場、したがってゼロではない力を受けることになります。実験室の静止フレームでは、試験電荷が電線に引き寄せられたり押し出されたりするのを説明できる電場は存在しない。そのため、実験室の静止フレームにいる観測者は、磁場が存在するに違いないと結論付ける。^{[12] [13]}

一般的に、ある観測者が電場のみを用いて記述する状況は、異なる慣性系内の観測者によって電場と磁場の組み合わせを用いて記述される。同様に、ある観測者が磁場のみを用いて記述する現象は、相対的に移動する基準系では、場の組み合わせによって記述される。異なる基準系で必要とされる場を関連付ける規則は、場のローレンツ変換である。^[14]

したがって、静電気学と磁気静電気学は、現在、他の種類のフィールドを抑制するために特定のフレームが選択された場合の静的 EM フィールドの研究と見なされており、電気と磁気の両方を含む EM フィールドは他のフレームでも出現するため、これらの「より単純な」効果は、測定の異なるフレームの結果にすぎません。 2 つのフィールドの変化が、観察者の動きを変えるだけで再現できるという事実は、関与する実際のフィールドは 1 つだけであり、それが単に異なって観察されているというさらなる証拠です。

2 つのマクスウェル方程式、ファラデーの法則とアンペール・マクスウェルの法則は、電磁場の非常に実用的な特徴を示しています。ファラデーの法則は、大まかに言えば、「ループ内の変化する磁場が、ループの周囲に電圧を生成する」と説明できます。これが発電機の原理です。

アンペールの法則は、大まかに言うと、「ループの周りの電流は、ループを通して磁場を作り出す」というものです。したがって、この法則を適用して磁場を生成し、電気モーターを動かすことができます。

マクスウェル方程式を組み合わせて波動方程式を導くことができる。これらの方程式の解は電磁波の形をとる。電荷や電流を含まない空間（自由空間）では、つまり、Jがゼロの場合には、電場と磁場はこれらの電磁波方程式を満たす：^{[15] [16]}${\displaystyle \rho }$

${\displaystyle \left(\nabla ^{2}-{1 \over {c}^{2}}{\partial ^{2} \over \partial t^{2}}\right)\mathbf {E} \ \ =\ \ 0}$

${\displaystyle \left(\nabla ^{2}-{1 \over {c}^{2}}{\partial ^{2} \over \partial t^{2}}\right)\mathbf {B} \ \ =\ \ 0}$

ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、アンペールの回路法則に変位電流項を加えてマクスウェル方程式を完成させ、この関係を初めて導き出しました。これにより、電気、磁気、光に関する物理的な理解が統一されました。可視光は、電磁波の全範囲、つまり電磁スペクトルの一部にすぎません。

電流や電荷（発生源）から非常に離れた電磁場は、発生源の電荷と電流から放射されるため、電磁放射（EMR）と呼ばれます。このような放射は、電波、マイクロ波、赤外線、可視光線、紫外線、X線、ガンマ線など、電磁スペクトルと呼ばれる広範囲の周波数にわたって発生する可能性があります。これらの放射の多くの商業的用途については、名前の付いた記事とリンクされた記事で説明されています。

可視光の注目すべき応用は、太陽からのこのタイプのエネルギーが、酸素を生成または使用する地球上のすべての生命にエネルギーを与えていることです。

電流や電荷に物理的に近い変化する電磁場（「近い」の定義については、近傍場と遠方場を参照）は、変化する電気双極子、または変化する磁気双極子によって支配される双極子特性を持ちます。発生源に近いこのタイプの双極子場は、電磁近傍場と呼ばれます。

変化する電気双極子場は、商業的には主に誘電加熱源として近傍場として使用されます。それ以外では、電磁波を吸収する導体の周囲や、より遠くで電磁波を発生させる目的のアンテナの周囲に寄生的に現れます。

変化する磁気双極子場（すなわち、磁気近接場）は、多くの種類の磁気誘導装置に商業的に使用されています。これには、低周波ではモーターや電気変圧器、高周波では RFIDタグ、金属探知機、MRIスキャナー コイルなどの装置が含まれます。

電磁場が人体の健康に及ぼす潜在的な影響は、電磁場の周波数、強度、曝露時間によって大きく異なります。低周波、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]などの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。

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