静電場中のマクスウェルの方程式

時間的に変化しない電場を静電場といいます。 静電場中では、時間微分に関する項が0になるので、マクスウェルの方程式は

微分形 積分形 不連続面での境界条件
× E = 0
D = εE = ρ
 
 
C
Edl = 0
 
 
S
DdS = ε
 
 
S
EdS =
 
 
V
ρdV
n×( E1E2 ) = 0
n×( D1D2 ) = ξ

と表せます。

電位

静電場中でのマクスウェルの方程式で、 E ×E = 0 を満たす保存場なので、スカラーポテンシャル φ が定義できて

E = −φ
この電場のスカラーポテンシャル φ 電位といいます。 スカラーポテンシャルの性質から、点Oを基準とした点Pでの電位 φ P
φ P =
 O
 
P
Edl
と表せます。

静電場における電位の求め方

E = −φ を電場に関するガウスの法則に代入すると
Δ φ = −
ρ
ε
が得られます。 この方程式を解けば静電場の電位を求めることが出来ます。 具体的には、
ΔU = δ
の解 U = −
1
| r |
ρ
ε
との畳み込み積分
φ = −
1
ε
U*ρ
つまり、
φ(x,y,z) = −
1
ε
 
 
ρ(ξ,η,ζ)U(x−ξ,y−η,z−ζ)DξDηDζ =
1
ε
 
 
ρ(ξ,η,ζ)
| r' |
DξDηDζ =
1
ε
 
 
ρ
r
dV
と表される。 ただし、 r = (x, y, z), r' = (x−ξ, y−η, z−ζ), r = | r' | である。

静電場における電場の求め方

電場 E E = −φ で与えられ、電位 φ φ(x,y,z) =

1
ε
 
 
ρ(ξ,η,ζ)
| r' |
DξDηDζ によって求められるので、電場 E は、

E = −
1
ε
 
 
ρ(ξ,η,ζ)
| r' |
DξDηDζ = −
1
ε
 
 
ρ(ξ,η,ζ)
| r' |
DξDηDζ
=
1
ε
 
 
ρ(ξ,η,ζ)r'
| r' | 3
DξDηDζ =
1
ε
 
 
ρ i r
r2
dV
によって求められる。 ただし、 i r r' 方向を向く単位ベクトル、すなわち ir =
r'
| r' |
である。