電磁気学② クーロンの法則の導出 このエントリーをはてなブックマークに追加

クーロンの法則をマクスウェル方程式・クーロン力の式から導出

クーロンの法則はクーロン力の式とマクスウェル方程式から導くことができます。このサイトではマクスウェル方程式とクーロン力の式を基本となる方程式としていたので、これらの式のみを用いてクーロンの法則を導出します。

まずこれから導く式を先に紹介します。

クーロンの法則と電場の関係

クーロンの法則
位置$ \boldsymbol{r} $にある点電荷$ q $に、位置$ \boldsymbol{r^\prime}$にある点電荷$ q^\prime $が及ぼす力$ \boldsymbol{F} $は、誘電率$\varepsilon$を用いて、
\begin{align} \boldsymbol{F}=\dfrac{qq^\prime}{4\pi\varepsilon \left|\boldsymbol{r-r^\prime}\right|^2}\dfrac{\boldsymbol{r-r^\prime}}{\left|\boldsymbol{r-r^\prime}\right|} \end{align}
と表わされます。
後ろに分けて書いているのは力のはたらく向きの単位ベクトルで、ただ方向を示しているだけです。

電荷が作り出す電場

電場中にある電荷にはたらく力は、クーロン力の式で$\boldsymbol{B}=\boldsymbol{0}$として、
\begin{align} \boldsymbol{F}=q\boldsymbol{E} \end{align}
というように電場中にある電荷$ q $の電荷にはたらく力をその電荷$ q $で割ったものをさします。ちなみに、電荷が連続的な場合には電場は、
\begin{align} E(\boldsymbol{r})=\dfrac{1}{4\pi\varepsilon}\int_{\text{全空間}}\dfrac{\rho(\boldsymbol{r^\prime})}{|\boldsymbol{r-r^\prime}|^2}d^3{\boldsymbol{r^\prime}} \end{align}
となります。(これもこの後の導出で分かります)なので、この電場からはたらく力を求める必要があります。

電位の定義と電場との関係

電場を定義したついでに電位も定義しておきます。位置$\boldsymbol{r^\prime}$の電位は電場の線積分を用いて表され、逆に電場は電位の勾配(gradient)で表せます。
電位と電場の関係
\begin{align} \phi (\boldsymbol{r})&= -\int_{\text{基準}}^\boldsymbol{r}\boldsymbol{E}(\boldsymbol{r}^\prime)\cdot d\boldsymbol{r}^\prime\\ \boldsymbol{E}(\boldsymbol{r})&=-\nabla \phi(\boldsymbol{r}) \label{eq:5} \end{align}
この関係は、力学でポテンシャル$U$とはたらく力$\boldsymbol{F}$との間に、
\begin{align} \boldsymbol{F}=-\nabla U \end{align}
という関係があったのととても似ています。そこで、静電ポテンシャルと言われたり、もしくは単純にポテンシャルと言われたりします。

クーロンの法則のマクスウェル方程式からの導出

誘電率が一定の場合を考えることにします。もちろん、$\varepsilon=\varepsilon_0$とすれば真空を考えることと同じです。この状況下でポアソン方程式を導出します。

ポアソン方程式の導出

ポアソン方程式
\begin{align} \nabla^2 \phi(\boldsymbol{r})=-\dfrac{\rho(\boldsymbol{r})}{\varepsilon} \label{eq:7} \end{align}
まずは、ガウスの法則を表す式
\begin{align} \nabla\cdot\boldsymbol{E}(\boldsymbol{r})=\dfrac{\rho(\boldsymbol{r})}{\varepsilon} \label{eq:9} \end{align}
を考えます。ここで、電位$ \phi $は、
\begin{align} \boldsymbol{E}(\boldsymbol{r})=-\nabla \phi(\boldsymbol{r}) \label{eq:8} \end{align}
と表されました。\eqref{eq:9},\eqref{eq:8}式から$ \boldsymbol{E}$を消去すると、ポアソン方程式が導かれます。この偏微分方程式を解きたいわけですが...Green関数法という方法で解くことにします。

グリーン関数法を用いる。グリーン関数とは?

グリーン関数
微分演算子$\mathcal{D}$について、
\begin{align*} \mathcal{D}f(x)=g(x) \end{align*}
という微分方程式に対して、
\begin{align*} \mathcal{D}G(x,x^\prime)=-\delta(x-x^\prime) \end{align*}
を満たす関数$G$をグリーン関数という。ただし、$\delta(x)$はデルタ関数です。
正確にはもう少し条件が付くこともありますが、グリーン関数の大きな特徴は以上のようなものです。慣習的に右辺は負で、場合によってはほかの都合のいい定数を合わせて定義してあることもあります。今回のPoisson方程式
\begin{align} \nabla^2 \phi(\boldsymbol{r})=-\dfrac{\rho(\boldsymbol{r})}{\varepsilon} \tag{\ref{eq:7}} \end{align}
に関しては、$\mathcal{D}=\nabla^2$なので、
\begin{align} \nabla^2 G(\boldsymbol{r},\boldsymbol{r^\prime})=-\delta(\boldsymbol{r-r^\prime}) \label{eq:10} \end{align}
この式を満たすような関数$G$が存在するとき、
\begin{align} \phi(\boldsymbol{r})=\dfrac{1}{\varepsilon}\int_{\text{全範囲}} G(\boldsymbol{r},\boldsymbol{r^\prime})\rho(\boldsymbol{r^\prime})d^3\boldsymbol{r^\prime} \label{eq:11} \end{align}
が解になります。この辺々に$\nabla^2$を作用させると、右辺は$G$にしか$\nabla$は作用しないので、\eqref{eq:10}式を用いれば、
\begin{align} \nabla^2\phi(\boldsymbol{r})&=\dfrac{1}{\varepsilon}\int_{\text{全範囲}}\nabla^2 G(\boldsymbol{r},\boldsymbol{r^\prime})\rho(\boldsymbol{r^\prime})d^3\boldsymbol{r^\prime}\nonumber \\ &=-\dfrac{1}{\varepsilon}\int_{\text{全範囲}}\delta(\boldsymbol{r-r^\prime})\rho(\boldsymbol{r^\prime})d^3{\boldsymbol{r}^\prime}\nonumber \\ &=-\dfrac{\rho(\boldsymbol{r})}{\varepsilon} \end{align}
つまり\eqref{eq:10}式のような関係があれば容易に解が導けるということです。では、\eqref{eq:7}式からグリーン関数$G$を求めましょう。

フーリエ変換でグリーン関数を求める

\begin{align} \nabla^2 \phi(\boldsymbol{r})=-\delta(\boldsymbol{r}-\boldsymbol{r^\prime}) \tag{\ref{eq:10}} \end{align}
の両辺をフーリエ変換します。微分の項は微分する代わりに$i\boldsymbol{k}$をかければよく、
\begin{align} -\boldsymbol{k}^2\mathcal{F}\left[G(\boldsymbol{r},\boldsymbol{r^\prime})\right]=e^{-i\boldsymbol{k\cdot r^\prime}} \nonumber\\ \therefore \mathcal{F}\left[G(\boldsymbol{r-r^\prime})\right]=-\dfrac{e^{-i\boldsymbol{k\cdot r^\prime}}}{\boldsymbol{k}^2} \label{eq:13} \end{align}
\eqref{eq:13}式を逆変換すると、
\begin{align} G(\boldsymbol{r-r^\prime})=-\dfrac{1}{(2\pi)^3}\int_{\text{全空間}}\dfrac{1}{\boldsymbol{k}^2}e^{i\boldsymbol{k\cdot (r-r^\prime)}}d^3\boldsymbol{k}\label{eq:14} \end{align}
さて、分母に$\boldsymbol{k}$が現れているのが邪魔で、これ以上計算を進めることができませんね。これをどうにかしたいのですが、ここで使う手段は変数変換です。球座標に変換します。

球座標へヤコビアンを用いて変数変換をおこなう

$$ \left\{ \begin{align} k_x&=k \sin{\theta}\cos{\phi}\\ k_y&=k \sin{\theta}\sin{\phi}\\ k_z&=k \cos{\theta} \end{align} \right. $$
このときのヤコビアンは、
$$ \begin{vmatrix} \dfrac{\partial k_x}{\partial k}&\dfrac{\partial k_x}{\partial \theta}&\dfrac{\partial k_x}{\partial \phi}\\ \dfrac{\partial k_y}{\partial k}&\dfrac{\partial k_y}{\partial \theta}&\dfrac{\partial k_y}{\partial \phi}\\ \dfrac{\partial k_z}{\partial k}&\dfrac{\partial k_z}{\partial \theta}&\dfrac{\partial k_z}{\partial \phi}\\ \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} \sin{\theta}\cos{\phi} & k\cos{\theta}\cos{\phi} & -k\sin{\theta}\sin{\phi}\\ \sin{\theta}\sin{\phi} & k\cos{\theta}\sin{\phi} & k\sin{\theta}\cos{\phi}\\ \cos{\theta} & -k\sin{\theta} & 0 \end{vmatrix}\\ $$
これをサラスの方法で計算すると、
\begin{align*} & k^2\sin^3{\theta}\sin^2{\phi}+k^2\sin{\theta}\cos^2{\theta}\cos^2{\phi}+k^2\sin{\theta}\cos^2{\theta}\sin^2{\phi}+k^2\sin^3{\theta}\cos^2{\phi}\\ &= k^2\sin^3{\theta}(\sin^2{\phi}+\cos^2{\phi})+k^2\sin{\theta}\cos^2{\theta}(\sin^2{\phi}+\cos^2{\phi})\\ &=k^2\sin^3{\theta}+k^2\sin{\theta}\cos^2{\theta}\\ &=k^2\sin{\theta}(\sin^2{\theta}+\cos^2{\theta})\\ &=k^2\sin{\theta}\\ \end{align*}
となり、微小素片の関係は、
\begin{align} d^3\boldsymbol{k}=k^2\sin{\theta}\ dkd\theta d\phi \end{align}
となります。ちなみに、$\boldsymbol{k}^2$というのはただの絶対値の二乗と同じなので、これは$ k^2 $で、これを用いると\eqref{eq:14}式は、
\begin{align} G(\boldsymbol{r-r^\prime})=-\dfrac{1}{(2\pi)^3}\int_0^\infty\left\{ \int_0^{2\pi} \left(\int_0^\pi e^{i\boldsymbol{k\cdot( r-r^\prime)}}\sin{\theta}d\theta\right)d\phi\right\}dk \label{eq:19} \end{align}
ここで、指数部分をどうするかが問題なのですが、今考えている空間は対称的(どの方向に軸を取っても一般性を失わない)で、$\boldsymbol{r,r^\prime}$は固定して考えているので、$\boldsymbol{e}_\theta$が$\boldsymbol{r-r^\prime}$となす角度が$\theta$になるように取ることにすると、$\boldsymbol{k\cdot( r-r^\prime)}=|k||r-r^\prime|\cos{\theta}$となります。ここで、$w=\cos{\theta}$とおけば、$dw=-\sin{\theta}d\theta$で、積分範囲は$1\to -1$なので、\eqref{eq:19}式は、
\begin{align} G(\boldsymbol{r-r^\prime})&=-\dfrac{1}{(2\pi)^3}\int_0^\infty dk \int_0^{2\pi}d\phi \int_{-1}^1 dw\ e^{iw|k||r-r^\prime|}\nonumber \\ &=-\dfrac{2}{(2\pi)^3}\int_0^\infty dk \int_0^{2\pi}d\phi \dfrac{\sin{k|r-r^\prime|}}{k|r-r^\prime|}\nonumber \\ &=-\dfrac{4\pi}{(2\pi)^3}\int_0^\infty dk \dfrac{\sin{k|r-r^\prime|}}{k|r-r^\prime|}\nonumber \\ &=-\dfrac{1}{2\pi^2|r-r^\prime|}\int_0^\infty \dfrac{\sin{t}}{t}dt\label{eq:20} \end{align}
最後に残った積分はディリクレ積分という積分で、複素解析の範囲で解くことができます。今回は詳細な計算は省略しますが、
\begin{align} \int_0^\infty \dfrac{\sin{t}}{t}dt=\dfrac{\pi}{2}\label{eq:21} \end{align}
という結果が得られます。\eqref{eq:20},\eqref{eq:21}式をまとめると、
\begin{align} G(\boldsymbol{r-r^\prime})=-\dfrac{1}{4\pi|r-r^\prime|} \label{eq:22} \end{align}

グリーン関数から電位と電場を求める

この\eqref{eq:22}式を\eqref{eq:11}式に代入して、
\begin{align} \phi(\boldsymbol{r})=\dfrac{1}{4\pi\varepsilon}\int_{\text{全空間}}\dfrac{\rho(\boldsymbol{r^\prime})}{\left|\boldsymbol{r-r^\prime}\right|}d^3\boldsymbol{r^\prime} \label{eq:23} \end{align}
これで、電位が求まりました。この\eqref{eq:23}式を\eqref{eq:5}式に代入すれば、
\begin{align} \boldsymbol{E(r)}=\dfrac{1}{4\pi\varepsilon}\int_{\text{全空間}}\dfrac{\rho(\boldsymbol{r^\prime})\boldsymbol{e_{r^\prime\to r}}}{|\boldsymbol{r-r^\prime}|^2}d^3{\boldsymbol{r^\prime}} \label{eq:24} \end{align}
となりこれで連続的な電荷による電場の式が導けました。(ただし、$\boldsymbol{e_{r^\prime\to r}}$は位置$\boldsymbol{r^\prime}$から$\boldsymbol{r}$に向かう単位ベクトル)

点電荷をデルタ関数を用いて表す

\eqref{eq:24}式で
\begin{align} \rho(\boldsymbol{r^\prime})=q^{\prime\prime}\delta(\boldsymbol{r^\prime-r^{\prime\prime}})\label{eq:25} \end{align}
とすれば、位置$\boldsymbol{r^{\prime\prime}}$に点電荷$q^{\prime\prime}$が存在することを再現できます。\eqref{eq:25}式を\eqref{eq:24}式に代入すれば、
\begin{align} \boldsymbol{E(r)}=\dfrac{q^{\prime\prime} \boldsymbol{e_{r^{\prime\prime}\to r}}}{4\pi\varepsilon |\boldsymbol{r-r^{\prime\prime}}|} \end{align}
つまり、位置$\boldsymbol{r}$にある点電荷$q$にはたらく力$\boldsymbol{F_{r^{\prime\prime}\to r}}$は
\begin{align} \boldsymbol{F_{r^{\prime\prime}\to r}}&=q\boldsymbol{E(r)}\nonumber \\ &=\dfrac{qq^{\prime\prime} \boldsymbol{e_{r^{\prime\prime}\to r}}}{4\pi\varepsilon |\boldsymbol{r-r^{\prime\prime}}|}\nonumber \\ &=\dfrac{qq^{\prime\prime}}{4\pi\varepsilon | \boldsymbol{r-r^{\prime\prime}}|^2}\dfrac{\boldsymbol{r-r^{\prime\prime}}}{|\boldsymbol{r-r^{\prime\prime}}|}\label{eq:27} \end{align}
そしてこの\eqref{eq:27}式が点電荷に関してのクーロンの法則になります。






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