電磁｜電場・磁場・電磁波

2025.09.20

電磁

電磁とは、電荷と電流がつくる電場と磁場、およびそれらの時間変化が相互に結び付いて生じる現象の総称である。静電気学、静磁気学、電磁誘導、電磁波伝搬、材料の電磁応答、計測・制御からエネルギー変換に至るまで広範に関与し、工学・物理・化学の基盤をなす。回路モデルで扱う領域と、空間分布を持つ場のモデルが連続につながる点も特徴である。

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物理量と単位

基本量は電荷q[C]、電流I[A]、電場E[V/m]、磁束密度B[T]、電束密度D[C/m²]、磁場H[A/m]である。物質定数として誘電率ε[F/m]と透磁率μ[H/m]、および導電率σ[S/m]が用いられる。エネルギー密度、ポインティングベクトルS[W/m²]によりエネルギー貯蔵と流れを記述できる。

マクスウェル方程式の要点

マクスウェル方程式は電磁現象の統一的記述であり、ガウスの法則、ガウスの磁束法則、ファラデーの法則、アンペール–マクスウェルの法則から成る。時間的に変化するEとBが相互に源となり、電磁波が光速c=1/√(με)で伝搬することを示す。境界条件は媒体界面での接線・法線成分の連続則として現れる。

準静的近似

空間スケールが波長に比べ十分小さい場合は準静的近似が成立し、回路理論が有効になる。逆に高周波では分布定数系としての取り扱いが不可欠である。

電磁力と運動

荷電粒子に働くローレンツ力F=q(E+v×B)が力学の出発点である。導体内では電流要素にj×Bの体積力が作用し、モータやアクチュエータの推力・トルクを生む。磁気浮上、磁気分離、電磁攪拌も同じ原理に立脚する。

材料と媒体の応答

線形等方均質媒体ではD=εE、B=μH、J=σEで表される。誘電体では分極、磁性体では磁化が生じ、ヒステリシスや損失（誘電損・磁気損）が設計指標になる。複素比誘電率や複素比透磁率は周波数分散と損失を包含する。

境界・導波構造

金属壁・誘電体界面・同軸線路・矩形導波管・マイクロストリップ等ではモード（TEM/TE/TM）と遮断周波数が支配的であり、導波・共振条件が機器特性を決める。

回路・場の橋渡し

集中定数回路は場の積分表現に対応する。インダクタは磁束の蓄積、キャパシタは電束の蓄積であり、相互インダクタンスは結合係数kで表す。高周波では寄生L・C・Rが顕在化し、分布定数回路・伝送線路理論が必要となる。

応用例

  • モータ：電機子電流と磁束の相互作用で回転を得る。効率とトルクリップルは磁気回路設計と制御で最適化する。
  • 変圧器：磁束結合により電力変換を行い、漏れ磁束・鉄損・銅損が性能を左右する。
  • 誘導加熱：渦電流損を利用して金属を加熱する。周波数とコイル形状で加熱深さが制御できる。
  • 磁気センサ：ホール、MR、フラックスゲート等がBを検出し、位置・電流・回転数の計測に用いる。
  • 無接触給電：共振結合によりギャップ越しに電力伝送する。

電磁波とスペクトル

電磁波は周波数fと波長λの関係c=fλで特徴付けられる。低周波の電力系統からRF、マイクロ波、ミリ波、テラヘルツ、さらに光学領域まで連続であり、各帯域でアンテナ・導波・散乱の支配メカニズムが異なる。平面波近似・近傍界/遠方界の区別は実装で重要である。

アンテナと放射

アンテナは電流分布を空間波に変換する素子で、指向性、利得、インピーダンス整合、帯域幅が設計パラメータになる。マッチング回路やバラン、グラウンド設計が放射効率を支配する。

設計・解析手法

解析は解析解、等価回路、数値電磁界解析（FEM、FDTD、MoM）を使い分ける。設計では定式化→境界条件→メッシュ→収束判定→実測検証の流れをとる。感度解析・最適化・実験計画法を併用し、材料非線形や渦電流をモデル化することが精度向上に寄与する。

安全・EMCとシールド

EMCではエミッション低減とイミュニティ向上が目標である。対策は源・経路・受け手の三点で行い、配線レイアウト、リターン経路、シールド、グラウンド、フィルタ、スナバ、スプレッドスペクトラム等を組み合わせる。シールド材は導電損・磁性損のバランスで選定し、開口・継ぎ目の処理が効果を左右する。

人体・安全指標

人体暴露は周波数依存で基準が定められ、電界強度・磁界強度・SARなどで評価する。産業設備では漏れ磁束、アーク、静電気放電への対策が不可欠である。

測定・評価

  1. 低周波：クランプメータ、ガウスメータ、ロガーで電流・磁束密度・温度上昇を監視する。
  2. 高周波：VNAでSパラメータ、スペクトラムアナライザで放射ノイズ、TDRでインピーダンス不連続を評価する。
  3. 材料：誘電率・透磁率・損失角を共振法・伝送線路法で同定する。

エネルギーと効率

磁気回路・電気回路の損失（銅損、鉄損、誘電損、放射損）を定量化し、ポインティングベクトルでエネルギー流を可視化する。熱設計・冷却・コア選定・スイッチング波形整形が効率最適化の実務要点である。

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