変位電流

「変位電流が磁場をつくるか」という問題は過去からしばしば話題にされてきた。日本ではこの10年ほど，一つは半直線電流＋端点のモデルにおける球対称電場を作る磁場がないことを根拠とした議論，もう一つは，ジェフィメンコ式（もしくは相対論的な4次元反対称テンソルによるマクスウェル方程式の表現）から，磁場が源としての実電流だけで記述されることを根拠とした議論が，鈴木，兵頭，中村・須藤などから提起されてきた。

太田浩一（1944-, 1970年代のOhta-Wakamatsuの太田さん）の「電磁気学の基礎」にもこのモデルを用いて，変位電流が磁場を作らないということが詳しく書かれていたため，その信奉者は増えてしまった。しかしその後，石原，斎藤，北野らによってこのモデルの問題点が明らかにされている。

そこで，主な議論をたどってみた。下記の他に，菅野礼司先生（変位電流と磁場の関係について）や高橋憲明先生の議論もある。最新の兵頭さんの論文にはまだ手が付いていない。

(1) マクスウェル= アンペールの法則と変位電流

鈴木亨（物理教育60-1, 2012, 38-43）

点電荷の変位電流から求めた磁場と半直線電流からビオ-サバールの法則で求めた磁場は等しくなる。球対称性から変位電流からの磁場は存在しない。

 

(2) 変位電流は磁場を“ 作る” か

兵頭俊夫（物理教育 62-1, 2012, 44-51）

点電荷を小導体球に置き換えたモデルだが，本質的に(1)と同じ。球対称性が維持されるので点電荷（クーロン電場）の変位電流は磁場を作らない。

 

(3) 「変位電流は磁場を創らない」を考察するモデルについて

斎藤吉彦（物理教育 60-3, 2012, 209-2012）

(1) (2)では荷電粒子の運動を無視していることになる。このためモデルの妥当性が失われていて誤った結論を導いている。ビオ-サバールの法則は近似法則である。↓(7)で訂正。

 

(4) 変位電流は磁場を作るのか?

中村哲・須藤彰三（物理教育 60-4, 2012, 268-273）

電流（変位電流）が磁場をつくるというとき，源(source)としてか，作る(presence)としてかを区別する必要がある。因果関係としての源となるのは電流であり，変位電流はそれにあてはまらない。

 

(5) 変位電流と重ね合わせの原理について

石原諭（物理教育 61-4, 2013, 187-189）

マックスウェル方程式の重ね合わせの原理を適用するには，それぞれの部分系で電荷保存則が満たされていなければ，正しい結果を与えない。半直線電流を点電荷と電流部分に分割した(2)は電荷保存則を満たしておらず誤った結論を導いている。

 

(6) 変位電流密度の役割

中村哲・須藤彰三（物理教育 62-4, 2014, 23-29）

電流密度だけが磁場の因果的源(source )であり変位電流密度は源ではない。電場の時間微分（変位竃流密度）と磁場の空間微分(回転)は時空の属性である電磁場四次元テンソルの微分として統一的に扱うべき。因果律はマックスウェル方程式に内在せず，遅延解の選択で導入される。

 

(7) 半直線電流による電磁場の厳密解

斎藤吉彦（物理教育 62-4, 2014, 155-162）

無限遠方から端点までの加速度運動する電荷の集合体がつくる磁場を計算した結果，(1) (2) のビオ-サバール法則の結果と一致した。これは電荷保存則を満たしマックスウェル方程式と矛盾しない。また，磁場の回転が球対称な解であり，Diracの磁気単極子解と同じ構造を持っている。

 

(8) 変位電流をめぐる混乱について

北野正雄（大学の物理教育 27, 2021, 22-25）

非定常電流では，「電流がつくる磁場」「変位電流がつくる磁場」は定義できない。

変位電流と伝導電流は不可分でありこれを無視した分割はできない。

ビオ-サバールの式で計算される磁場には変位電流の効果が含まれる。

まだ少し気になっていることなど：

・閉回路（無限直線）でなくても，定常状態や準定常状態ならビオ-サバールの公式は使えて，しかもそれは変位電流の効果を含むものなのか。

・微分方程式には因果律は含まれず，境界条件に含まれるのか。