1-6電束密度の意味 : テキストデータ

電束密度の意味
どうして電場と同じようなものを もう一つ定義しなくてはならないのだろう。
本質ではない量
 学生時代にはこの電束密度の意味を正しく理解できていなかった。 しかし、今考えて見れば実はとても単純なことだったのである。 この「電束密度」という呼び方は歴史的な由来を持つものであって、その本質とはあまり関係ないので気をつけなければならない。 これについては後の方で説明しよう。  この電束密度という量は私が求めている「実在」ではなく、科学の発展の歴史の中で研究者に都合の良いように導入されたものに過ぎない。 それでも物性を研究する人にとっては今でも十分利用価値のある便利な量ではある。
 本当はこういう本質的でない話は後回しにして早くマクスウェルの方程式を完成させたいのだが、マクス ウェルの方程式を理解するためには結局この「電束密度」を理解することが必要になってくる。  それに本質でないものにはさっさとけりをつけて無視できるようにしておいた方が気持ちがいい。 少し寄り道に感じるかも知れないが、話の流れ上ここで説明しておくのが一番良いだろうと思う。
空間は電荷だらけ
 我々の周りは電荷で満ち満ちている。 いくら真空ポンプで真空を作っても、なおそこには何億、何兆では言い表せないほどの原子が存在する。 (でも真空管の程度まで空気を引けば何兆で言い表せる程度にはなるか・・・) その原子の一つ一つが負の電荷を持った電子と、正の電荷を持った原子核から出来ているのだ。 普段はそのプラスとマイナスが打ち消しあって表向き0になっているように見えるけれども、電場をかけてやればプ ラスとマイナスは別方向へ移動するので空間に電荷がひょっこり顔を出すことになる。
 身近な例を挙げてみよう。 電気を流さない固体を鉄板で挟んでやり、この両端に電圧をかけてやる。 すると固体の中の電子と原子核はズレを生じる。 電子はプラス極に引かれ、原子核はマイナス極に引かれる。 引かれるけれども原子が分解するほどではない。 だから電気は流れていかない。 流れてはいかないが、マイナス極側にはプラスの電荷が、プラス極側にはマイナスの電荷が顔を出す。
  このように電圧がかかった時にプラスとマイナスに分かれることを「分極」という。 そして分極する物質を「誘電体」という。 金属の場合には電圧がかかると自由電子が流れていってしまうのでそのせいで電圧が降下し分極するどころではないが、絶縁体 そして電気力線が誘電体の中を通る時には電束密度は変わらないはずなのになぜか電荷の間に働く力が弱くなるわけだが、これは物質の持つ何らかの未知の作用によるのだろう、という考え方をしたわけだ。
 つまり、もとからあったのは電束密度の概念の方であって、現代では物質の構造が分かって来たために電場だけで説明が出来るようになったのだが、計算上便利なので今でもこの考えが残っていて使われているというわけである。
 多くの学生が、式が簡単だというので D = ε0 E + P という関係式をもとにして電束密度の意味を解釈しようとする。 するとまるで真の電荷による電場に分極ベクトルが作り出す電場を重ね合わせて補正したものが電束密度であるかのような誤解をしてしまいかねない。 私の学生時代の失敗はこれであった。 この式 は変形の結果に過ぎないのである。  それよりは上の式を ε0 E = D - P と考えて、電場が小さくなる理由は電束密度に分極ベクトルによる補正を加えて説明できる、というイメージでとらえておいた方が遥かに良い。
 電束密度は電荷のみによって決まる仮想的な量であって、電場は誘電体の存在によって変化する量であるので、
と書いておいた方が誤解が少なくなるのではないかと思うのだが、この関係式を導いた過程を思い起こすためには少々面倒だという不利益もあるのでどちらがいいとははっきり言えないところである。
資料提供先→  http://homepage2.nifty.com/eman/electromag/flux.html