電場と荷電粒子の仕事
電磁気学電場仕事エネルギー場のエネルギー密度
電場が荷電粒子に仕事をするとき、荷電粒子は電場に仕事をするの?電場が仕事をされるってどういうこと?
00:31

なるほど、「電場が荷電粒子に仕事をするとき」「荷電粒子が電場に仕事をするのか」という表現の違いについてですね。
まずはもう少しだけ確認させてください!
・「電場が荷電粒子に仕事をする」というのは、電場が粒子にエネルギーを与えているイメージで合ってますか?
・一方で「荷電粒子が電場に仕事をする」という言い回しに対して、どこがどう引っかかっているのか、具体的に教えてもらえる?
このあたりがはっきりすると、その先の説明がスムーズになるので、ぜひ教えてください!
まずはもう少しだけ確認させてください!
・「電場が荷電粒子に仕事をする」というのは、電場が粒子にエネルギーを与えているイメージで合ってますか?
・一方で「荷電粒子が電場に仕事をする」という言い回しに対して、どこがどう引っかかっているのか、具体的に教えてもらえる?
このあたりがはっきりすると、その先の説明がスムーズになるので、ぜひ教えてください!
00:31
・合ってる
・電場が仕事をされるってことは、電場が力を受けるってこと?でも力って質量✕加速度だから、電場に質量があって加速度運動するってこと?それとも運動量の時間変化?電場が運動量を持つの?
・電場が仕事をされるってことは、電場が力を受けるってこと?でも力って質量✕加速度だから、電場に質量があって加速度運動するってこと?それとも運動量の時間変化?電場が運動量を持つの?
00:46

いいね!!それでは理解度を確認するためにクイズを出します。
① 点電荷 が一様な電場 に沿って移動し、電場が荷電粒子に正の仕事 をした。
このとき、エネルギー保存の観点から「電場の持つエネルギー」はどう変化するか?
A: 減少する
B: 増加する
C: 変化しない
② 電場に蓄えられるエネルギーの正体として最も正しいものはどれか?
A: 電場が質量を持って加速度運動することでエネルギーを蓄える
B: 電場強度 の大きさに応じ、場の空間にエネルギーが分布して蓄えられている
C: 蓄えられるエネルギーはすべて荷電粒子(電荷)が持っている
選択肢の記号で答えてください!
① 点電荷 が一様な電場 に沿って移動し、電場が荷電粒子に正の仕事 をした。
このとき、エネルギー保存の観点から「電場の持つエネルギー」はどう変化するか?
A: 減少する
B: 増加する
C: 変化しない
② 電場に蓄えられるエネルギーの正体として最も正しいものはどれか?
A: 電場が質量を持って加速度運動することでエネルギーを蓄える
B: 電場強度 の大きさに応じ、場の空間にエネルギーが分布して蓄えられている
C: 蓄えられるエネルギーはすべて荷電粒子(電荷)が持っている
選択肢の記号で答えてください!
00:47
1 A
2 A
2 A
01:07

お、いいね、よく勉強してるね!
ただそれはね、「電場が質量をもって加速度運動する」という考えは今回の場合には合わなくて、電場は物体のような質量を持たないんだ。
電場のエネルギーは、場の強度の大きさに応じて空間に分布して蓄えられるわけ。具体的にはエネルギー密度
として、全体のエネルギーは
で表されるんだ。
だから「電場が仕事をされる」というのは、荷電粒子(またはそれを動かす外力)が電場のエネルギーを増減させる、すなわちこの を変化させることを指しているわけ。
場と粒子間の仕事は、
という符号関係でエネルギーのやり取りを表すんだよ。
わかった? やったぜ!
ただそれはね、「電場が質量をもって加速度運動する」という考えは今回の場合には合わなくて、電場は物体のような質量を持たないんだ。
電場のエネルギーは、場の強度の大きさに応じて空間に分布して蓄えられるわけ。具体的にはエネルギー密度
として、全体のエネルギーは
で表されるんだ。
だから「電場が仕事をされる」というのは、荷電粒子(またはそれを動かす外力)が電場のエネルギーを増減させる、すなわちこの を変化させることを指しているわけ。
場と粒子間の仕事は、
という符号関係でエネルギーのやり取りを表すんだよ。
わかった? やったぜ!
01:08
そうなんだ。じゃあ電場の運動量は?
10:53

いいね!!またいい質問だね。
電場だけ――つまり純粋な静電場(磁場 )では、運動量密度はゼロだよ。
電磁場全体として運動量を持つのは、電場 と磁場 が交わったときなんだ。
具体的には「運動量密度」 を次のように定義する:
ここで は真空の誘電率。
全空間でこれを積分すると、電磁場が持つ「全運動量」 が得られる:
純粋な電場()なら 、だから運動量はない。
電場の変化に伴って磁場が生まれ、その の組み合わせで初めて電磁場は運動量を持つわけだよ。
ここまではいい?
電場だけ――つまり純粋な静電場(磁場 )では、運動量密度はゼロだよ。
電磁場全体として運動量を持つのは、電場 と磁場 が交わったときなんだ。
具体的には「運動量密度」 を次のように定義する:
ここで は真空の誘電率。
全空間でこれを積分すると、電磁場が持つ「全運動量」 が得られる:
純粋な電場()なら 、だから運動量はない。
電場の変化に伴って磁場が生まれ、その の組み合わせで初めて電磁場は運動量を持つわけだよ。
ここまではいい?
10:53
全然イメージわかないけどとりあえず受け入れる。荷電粒子が電場から力をうけて加速してとき、逆に電場はその反作用を受けてそのε_0ExBという運動量を持つわけ?
21:39

お、いいね!荷電粒子が電場から力を受けて加速するとき、必ず「反作用」があって、場がその分の運動量を背負うんだ。ポイントはこういうこと:
1. 純粋な静電場(B=0)の場合
これは運動量密度 がゼロだから、場は運動量を持たない。逆に言うと、静電場だけでは反作用の「場への運動量移転」は起こらない。
2. 時間変化する荷電粒子/加速する電荷の場合
電荷を加速すると、その近傍の電場が変化して「磁場」も発生する。すると
という運動量密度が生まれるわけだ。この を全空間で積分すると、場が持つ運動量が得られて、粒子の運動量変化とぴったり釣り合う。
3. 放射(電磁波)による場合
加速電荷は電磁波を放射し、その電磁波自体がエネルギーと運動量を運ぶ。これも (ポインティングベクトル)として見れば、波が運ぶ運動量密度 となって、全体の運動量保存を保証するんだ。
まとめると、「電場だけ」では運動量を持たないけど、荷電粒子を加速して場が時間変化するときに磁場と組み合わさり、 の形で場が運動量を持つ。これが荷電粒子への反作用としての運動量移転を担っているわけ。
わかった?やったぜ!
1. 純粋な静電場(B=0)の場合
これは運動量密度 がゼロだから、場は運動量を持たない。逆に言うと、静電場だけでは反作用の「場への運動量移転」は起こらない。
2. 時間変化する荷電粒子/加速する電荷の場合
電荷を加速すると、その近傍の電場が変化して「磁場」も発生する。すると
という運動量密度が生まれるわけだ。この を全空間で積分すると、場が持つ運動量が得られて、粒子の運動量変化とぴったり釣り合う。
3. 放射(電磁波)による場合
加速電荷は電磁波を放射し、その電磁波自体がエネルギーと運動量を運ぶ。これも (ポインティングベクトル)として見れば、波が運ぶ運動量密度 となって、全体の運動量保存を保証するんだ。
まとめると、「電場だけ」では運動量を持たないけど、荷電粒子を加速して場が時間変化するときに磁場と組み合わさり、 の形で場が運動量を持つ。これが荷電粒子への反作用としての運動量移転を担っているわけ。
わかった?やったぜ!
21:40