「地球惑星物理学基礎III電磁気学」シラバス

基本情報

曜日と時間

水曜２限 (10:30-12:00)

講義日程

今のところ、全学的な休講日以外に休講を予定しているのは、11/19 です。その場合は、全部で 13 回の講義があります。なお、休講の予定は 変わる可能性もあるので、その都度注意してください。場合によっては、 補講の可能性もあります。

講義内容

本講義では、電磁気学の基礎を学びます。 できれば、地球科学への応用まで解説したいのですが、 時間がないので、それはさわり程度になります。

講義の目的

目的は２つあります。

1. 一つ目は、電磁気学が地球科学に登場する場面があるので、 その基礎を学んでおこうというものです。 電磁気学は、地球科学においてはそれほどあからさまに出てこない ようでありながら、実は暗にいろいろなところで出てきています。 たとえば、偏光顕微鏡観察やリモートセンシングは電磁波を利用しています。 地球の物質が固まって存在しているのは電気の力のおかげです。 空が青い理由を理解するのには、電磁気学のけっこう深い理解が必要です。
2. 二つ目は、電磁気学には、将来とくに地球物理のいろいろな 場面で役に立つ数学の道具がたくさんでてきます。それを学ぶのも 重要なことです。

担当

吉田茂生（居室:E162（10月中旬まで）, E121（10月中旬以降）, 内線：4580, e-mail:yoshida@eps.nagoya-u.ac.jp）

単位数

２単位

評価の方法

出席と毎週のレポート（宿題）を元に決めます。試験は行いません。 出席は１回１０点に換算し（遅刻早退は減点）、レポートは 問題によりますが、だいたい１題１０点満点で採点します。 その合計点を元に評価します。だいたいの目安は、８割以上が優、 ６割以上が良、４割以上が可、４割以下が不可、です。 結果として、だいたい出席とレポートを１：２くらいの割合で 見ることになります。ただし、授業態度なども加味しますし、 基準は、年によっても多少は動かします。 しかし、このように、基本的には毎週の出席とレポートで 評価するので、ふだんさぼっておいて講義の最後になって 何とかして下さいというのは認められません。 特例として、すでに電磁気学の知識が十分にある者は、 受講しなくても優を付けます。第１回目に私に申し出て下さい。 十分な知識があるかどうか口頭試験をします。

レポート（宿題）

毎回、練習問題を出します。翌週の月曜日までに解いて、 レポートを作成し、E162 号室（10月中旬より E121号室）の前の かご（箱）に入れておいてください。 レポートということは、問題に対して、単に最終的な答えが 合っていれば良いということではなく、解く過程や論理の流れや書き方も 評価の対象になります。また、提出期限に遅れたものは減点とします。 また、レポートには、講義に対する質問や要望も適宜書いて下さい。 もっとも、疑問はその場で解決する方が良いので、質問は 講義時間内にしてくれた方が望ましいのではありますが。

講義の内容

• 内容的には、基礎的なことを中心に電磁気学を一通り網羅するようにします。 過去の自分の経験から言っても、電磁気学はなかなかわかりにくいので、 １年生ですでに学んでいても、もう一度復習するのは有益だと考えています。
• １年生ですでに学んだ人がいるので、初等的教科書で良くある クーロンの法則から始めるという順番を取らず、 むしろ基礎方程式系から出発して、電磁気学全体の構造が見えやすいような 順番で講義をします。２回目に学ぶ場合はそのやり方がはっきり良いと 思いますし、初めての場合も、スタートの敷居が少し高いことを除けば、 わかりやすいと思っています。
• 基礎的な数学の解説を比較的多く取り入れたいと思っています。 将来電磁気学を使わない場合も役に立つと思っているからです。

Part1 力と電磁場

1. 登場人物紹介
   電荷、電流、電場、磁場
2. 電荷と電流にはたらく力
3. 電磁場中の電荷の運動 粒子の運動方程式、常微分方程式の基礎

1. マクスウェル方程式
   電磁場の変化の基礎方程式、電磁気学の単位系、ベクトル解析の基礎
2. ベクトルポテンシャル、スカラーポテンシャル
3. 簡単な静電磁場
   点電荷が作る電場、線電流が作る磁場、電気双極子、磁気双極子
4. 電磁波
   電磁波の方程式と簡単な解, Fourier 変換

1. 導体：オームの法則
2. 誘電体
3. 磁性体

参考書

以下に、参考までに教科書ガイドをしておきます。 電磁気学の教科書はたくさん出版されています。 本講義は基礎的なことしかやらないので、どれを参考にしても良いと思います。 参考までに、以下に、代表的なものを挙げておきます。 ○がついているのは、私が持っているものです。 そうでないものは持っていないので、論評はあてにならないところがあります。

1. 初級者向け

   • 物理学スーパーラーニングシリーズ（シュプリンガーフェアラーク東京）

     佐川弘幸・本間道雄「電磁気学」○

     基礎的なことが網羅されていて、かつ分かり易いと思います。 説明もスタンダードなのですが、少しもの足りないし、 気に入らない点もあります。

   • 岩波物理入門コース

     長岡洋介「電磁気学 I, II」

     基本的な事柄だけを選んでコンパクトに書いてあります。

   • バークレー物理学コース（丸善）

     「電磁気学　上下」

     基本的な事柄をていねいに書いてあります。

   • 朝倉書店　基礎の物理

     永田一清「電磁気学」

     清水忠雄「電磁波の物理」○

     永田著のものは、基礎的なスタンダードなもの。 清水著の方は、すでに電磁気学の基礎を知っている人が、 電磁波について学ぶ本。こちらは中級者向け。 私は、学部の３年生の時にこの教科書を元にした講議を 清水先生本人から受けました。物理屋向けとしては スタンダードと言えますが、地球科学屋としては、 必要な事柄が入っていない部分があります。

2. 標準的教科書（中級者向け）

   • 岩波基礎物理コース

     川村清「電磁気学」

     中山正敏「物質の電磁気学」

     標準的な教科書のようです。

   • 培風館　新物理学シリーズ

     平川浩正「電磁気学」○

     平川浩正「電気力学」

     電磁気学の方は、私が学部３年生の時の講議で指定されました。 いろいろなことがコンパクトに書かれていて、薄い割に 充実しています。ただ、電磁気学全体の構造がちょっと 見にくくなっている意味があります。電気力学の方は 電磁波関連。

   • 砂川重信「理論電磁気学」（紀伊国屋書店）○

     私が持っているのは第２版で、現在出ているのは第３版。 スタンダードに王道を行っているという感じで、 昔から定評があります。

   • ジャクソン「電磁気学　上下」（吉岡書店）○

     世界的に電磁気学の教科書の決定版といわれているものです。 現在第３版がでています。前半が SI 単位系、後半が Gauss 単位系。網羅的に何でも書いてあります。

   • パノフスキー・フィリップス「電磁気学　上下」（吉岡書店）

     これも標準的な教科書のようです。

3. 個性的な教科書、上級者向けの教科書

   • ファインマン物理学（岩波書店）

     「III 電磁気学」○

     「IV 電磁波と物性」

     電磁気学の方は、私が１年生の時の講議で指定されました。 初級者向けですが、上級者にも役に立ちます。 物理的なイメージが明確に書かれていて、わかりやすいです。 物理的なイメージが分からなくなったら、この本を見ると 答えが書いてあります。そういう点が、上級者にも役に立ちます。 ただ、あまり例題は出ていないので、問題を解くのには あまり役に立ちません。

   • ランダウ・リフシッツ理論物理学教程（東京図書）

     「場の古典論」○

     「電磁気学 1,2」

     ファインマンとは対照的に、ひどく簡潔な言葉でかなり高級な ことまで盛り込んである本。上級者向き。ランダウの教科書は 物理学科の人々にはカリスマ的な人気があります。たぶん ちょっと禅問答的で格好良いせいだと思います。

   • 丸善物理学基礎コース

     太田浩一「電磁気学 I, II」○

     最近出た教科書で、歴史的なことにも注意を払っていて、 内容に深みがあります。基礎的なことからはじまって、 微分形式を用いた定式化、解析力学、量子論まで 現代的な書き方で書かれています。D, H を使わず、 E, B のみを使うべきだという主張で一貫しています。

   • 牟田泰三「電磁力学」（岩波書店）

     電磁気学を一回勉強した人が、骨組みを復習して、 ゲージ場の理論にいたる構造を知るための本。

   • 今井功「電磁気学を考える」（サイエンス社）○

     著者は流体力学の大家で、流体力学を勉強したことが ある人には分かりやすい形式で書いてある独特の教科書。 電磁気学と流体力学を勉強した人が、まさに電磁気学を 考えるのに良い本。ただし、誘電体、磁性体の取扱いには問題 があると思います。