電磁気学１

Electromagnetism 1

9984002

12PHELE201

齋藤　智彦

Saitoh, Tomohiko

2023年度前期

1st semester, 2023

木曜3限

3rd period, Thursday

先進工学部　物理工学科

Department of Applied Physics, Faculty of Advanced Engineering

2.0単位

講義

Lecture

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対面授業/On-site class

電磁気学は自然界の電気的・磁気的現象をわずか４組の式（マックスウェルの方程式）で記述する美しい理論体系です。すべての物質は正電荷を持つ原子核と負電荷を持つ電子から成るので、物質の成り立ちを理解する上で、電磁気学は不可欠のものです。また、場・エネルギー等、現代物理学の重要な概念を内包し、応用物理学の各分野への基礎知識として欠かせません。さらに特殊相対論との深いかかわりもあります。
　以上のことから、物理学を応用する全ての研究・開発職に就く為にも、電磁気学は必要不可欠な知識／問題解決の道具であると言えます。

電磁気学の基礎的知識（特に静電磁場についての知識）を身につけ、最終的にマックスウェルの方程式に到達することが本講義とそれに続く電磁気学2の目的です。時間変動する電磁場、すなわち電磁波については「電磁気学3」で扱います。
　本講義は、本学科のディプロマポリシーに定める「専門分野に捉われない幅広い基礎学力を身につけた人材」を育成するための科目です。

(1) 電磁気学で扱う物理数学、即ち偏微分・多重積分・基礎的ベクトル解析等が使えるようになる。
(2) クーロンの法則とガウスの法則を説明できるようになる。
(3) 導体の性質、および導体内外の静電場の振る舞いを説明できるようになる。
(4) 導体外の電場を求める為の鏡像法が利用できるようになる。
(5) 直流回路の基本的動作を説明できるようになる。

基礎学力

(1) 前提とする知識
　高校物理と高校数学。
(2) 講義の進め方
　ほぼ教科書に沿って進み、式番号は教科書と同一にするので、これを利用して効率的にノートを取り、講義に集中してください。もちろん復習は不可欠です。教科書の内容の一部を、適宜増補・省略することもありますので、注意してください。また、時間の都合上、教科書にある式を板書で省略する場合があるので復習時に必ず自分で埋めてください。
(3) 学習の進め方
　電磁気学（の一部）は高校でもやっている内容ですが、高校とは違って大学では数学的に現象を扱うようになり、難度も上がります。従って毎回必ず予習をして講義に臨み、復習では、毎回必ず自分で手を動かして計算し、内容を追うことが必要です。講義では例題を十分に扱うことはできないので、電磁気学1演習Aを合わせて受講することを強く推奨します。

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準備学習：教科書を読んで、理解できるところとできないところを把握する。毎回2時間程度。
復習：教科書と講義ノートを用いて毎回2時間程度。毎回必ず自分で手を動かして計算を確認すること。

授業の提出物20%＋中間レポート30%＋期末の到達度評価50%

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

Y

兵頭俊夫　著　「電磁気学（増補修訂版）」（裳華房2021）
https://www.shokabo.co.jp/mybooks/ISBN978-4-7853-2274-8.htm

教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
​https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

LETUS上の講義資料：
(1) 講義概要、過去問、補足事項等
(2) 過去の講義スライドPDF
(3) 過去の授業動画

参考書・演習書：
(1) 荒木修・齋藤智彦　著　「本質から理解する数学的手法」（裳華房2016）
https://www.shokabo.co.jp/mybooks/ISBN978-4-7853-1570-2.htm
　理工系の大学の1, 2年次に登場する数学についての解説です。特に3-5章は本講義での数学の解説を基にしています。なお電子版もあります。
(2)　前野昌弘　著　「よくわかる電磁気学」（東京図書2010）
http://www.tokyo-tosho.co.jp/kikan/04/index.html
　講義の教科書と同レベルの分かりやすい参考書。
(3)　砂川重信　著　「物理テキストシリーズ　電磁気学」（岩波書店1987）
https://www.iwanami.co.jp/book/b260765.html
　(4)の「理論電磁気学」の初学者版。本も小さくコンパクトで便利。その分、凝縮された含蓄のある表現があり、(2)よりハイレベルです。
(4)　砂川重信　著　「理論電磁気学 第3版」（紀伊國屋書店1999）
https://www.kinokuniya.co.jp/f/dsg-01-9784314008549
　伝統的名著であり、教科書より進んだ内容も網羅（もうら）した、All in oneの教科書です。ハイレベルで初学者には厳しいですが、いつまでも使えます。　
(5)　霜田光一・近角聰信　編　「大学演習電磁気学　全訂版」（裳華房 1980）
http://www.shokabo.co.jp/mybooks/ISBN978-4-7853-8010-6.htm
　簡潔なまとめと豊富な演習問題。レベル別に並んでいるので、自習しやすく、かつ大学院入試まで使えます。しかしオンデマンド印刷・製本となってしまいました。

以下、教科書の対応する章を[　]で示します。数学の回では、参考書(1)の対応章も示しました。

1. はじめに・電場とクーロンの法則
内容：講義概要説明と導入。物理学の単位系の説明。ベクトルの復習。これらを用いて、クーロンの法則をベクトル形式で書けるようになる。[1]

2. 数学的基礎（１）
内容：微分と偏微分の本質を理解し、計算できるようなる。[2.1]，参考書(1) 第3章

3. 数学的基礎（２）
内容：テーラー展開、線積分を理解し、計算できるようなる。[2.2, 2.3]，参考書(1) 第2, 3章

4. 数学的基礎（３）
内容：面積分、連続体を理解し、計算できるようなる。[2.3, 2.4]，参考書(1) 第4章

5. 数学的基礎（４）
内容：簡単なベクトル解析とベクトル場の面積分、立体角を理解し、計算できるようになる。[2.4, 2.5, 2.6]，参考書(1) 第4, 1章

6. ガウスの法則（１）
内容：電束密度・電束・ガウスの法則について理解する。真空の誘電率と電場の強さの関係について理解する。ガウスの法則が重ね合わせの原理を満たしていることを理解する。連続体でないものを粗視化により連続体近似できることを理解する。これらを用いて、連続的電荷分布についてのガウスの法則を理解する。[3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5]

7. ガウスの法則（２）
内容：極座標系・円柱座標系を学び、使えるようになる。ガウスの法則の応用例を学び、ガウスの法則を適用した例題が解けるようになる。[3.6, 3.7]

8. 静電場と電位（１）
内容：静電ポテンシャルの定義と例を理解する。[4.1]

9. 静電場と電位（２）
内容：ポテンシャルエネルギーの定義と意味を理解する。[4.2]

10. 静電場と電位（３）
内容：典型的な静電ポテンシャルの計算ができるようになる。静電ポテンシャルの勾配が電場の強さを表すことを理解する。[4.3, 4.4, 4.5]

11. 静電場と電位（４）
内容：電気双極子の概念を理解し、その周りの電場と静電ポテンシャルを計算できるようになる。[4.6]

12. 導体と静電場（１）
内容：導体の基本的性質を理解し、その表面近傍の電場が計算できるようになる。[5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5]

13. 導体と静電場（２）
内容：鏡像法について学び、電場が計算できるようになる。さらに導体の静電容量を理解し、一般のコンデンサーの静電容量が計算できるようになる。[5.6, 5.7, 5.8, 5.9]

14. 定常電流と直流回路
内容： 直流回路における電流と電圧の振舞いの基本を理解する。[6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7,6.8]（2年生の「電気回路」で扱うので、概略のみ。）

15. 講義内容に関する到達度の確認と解説
内容：講義内容の到達度の確認と、その解説を行う。

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