ビオ・サバールの法則とローレンツ変換

先週の輪講でビオ・サバールの法則について議論したのでここにメモしておく.

真横を通過する電荷がつくる磁界

静止した観測者 K から見て,時刻 t = 0 に電荷 q が位置 ( - R , 0 , 0 ) を小さい速度 v = ( 0 , 0 , v ) で通過する状況を考える. この電荷が原点につくる磁界を計算するため,まず電荷と同じ速度で運動する慣性系 K ' で考える. 2つの慣性系は t = t ' = 0 で原点を共有するとする. β = v / c , γ = 1 / 1 - β 2 とする.

位置 ( - R , 0 , 0 ) にある静止した電荷 q が原点につくる電磁界は E ' = ( q 4 π ε 0 R 2 , 0 , 0 ) , B ' = ( 0 , 0 , 0 ) . これをローレンツ変換すれば B x = γ ( B x ' + - v c 2 E y ' ) = 0 B y = γ ( B y ' - - v c 2 E x ' ) = γ v c 2 q 4 π ε 0 R 2 μ 0 v q 4 π R 2 B z = B z ' = 0 ここで γ 1 を使った. 上式より,静止系では磁界 H = 1 μ 0 B ( 0 , q v 4 π R 2 , 0 ) を観測することになる. これは確かに電流線素が作る磁界の式と一致している.

一般の場合

今度は,時刻 t = 0 において原点を速度 v で通過する電荷 q が位置 r につくる磁界を計算したい. 再び電荷と同じ速度で移動する慣性系 K ' で考える.

K 系と K ' 系の電磁界の間には B = γ ( B ' - - v × E ' c 2 ) + ( 1 - γ ) B ' という関係がある[AWH, pp. 867-868]. ただし B ' B ' - v に平行な成分である. K ' 系では B ' = o . また, r の速度に垂直・平行な成分に関する分解を r = r + r とすると,電界は E ' = q r ' 4 π ε 0 r ' 3 = q ( r + γ r ) 4 π ε 0 ( r 2 + γ 2 r 2 ) 3 / 2 q 4 π ε 0 r 3 [ r + β 2 ( 3 r 2 2 r 2 r + 1 2 r ) ] と表される. さっきとは違って, β 2 に比例する項まで計算してみた. B ' , E ' を上の式に代入して B γ v c 2 × q 4 π ε 0 r 3 [ r + β 2 3 r 2 2 r 2 r ] μ 0 q v × r 4 π r 3 [ 1 + β 2 ( 1 2 + 3 r 2 2 r 2 ) ] よって, q v = I d s とすれば*1 H = 1 μ 0 B I d s × r 4 π r 3 となる. これを電流の経路に沿って積分すればビオ・サバールの法則が出てくる.

感想

ローレンツ変換の式からビオ・サバールの法則が導出されることはどこかで耳にしたことがあったが, 自分で計算したことはなかった. 実際に計算してみると r / r 3 の項がクーロンの法則に由来していることがよく分かった.

更新履歴

  • 2021-07-13: 公開
  • 2021-07-13: 静止系を K に変更, 2次の項までの計算を追加, 記法の変更, セクションの設定, その他細かい変更
  • 2021-07-24: 脚注ではなく参考文献欄を使うようにした
  • 2023-04-02: Document ID を追加

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脚注

*1: 電流素片 I d s の次元は「電流×長さ」である.

参考文献

[AWH] Arfken, G. B., Weber, H. J., Harris, F. E. (2013). Mathematical Methods for Physicists: A Comprehensive Guide. (7th edition). Academic Press.