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ビオ・サバールの法則(ビオサバールの法則)は、電流の小さな一部分が作る磁界 ΔH=IΔl sinθ/(4πr²) の式です。足し合わせると円形コイルの中心は H=I/(2r)、半円なら I/(4r) になり、導き方は円形コイルの節、答えは計算ツールで確かめられます。
結論|まず30秒でわかる答え
ビオ・サバールの法則は、電流の小さな一部分がつくる磁界を求める法則です。長さΔlの電流Iが、距離r・角度θの点につくる磁界は ΔH=IΔl sinθ/(4πr²) です。これを足し合わせると、半径rの円形コイルの中心の磁界は H=I/(2r)(N巻なら NI/(2r))、半円なら I/(4r) になります。
ビオ・サバールの法則とは?
電流が流れると、そのまわりに磁界ができます。まっすぐな電線やソレノイドのように形がそろっていれば、アンペールの周回積分の法則で一気に求められます。でも、円形や半円のような形では使いにくい。そこで、電流を小さな一部分に分けて、1つずつの磁界を足し合わせるのがビオ・サバールの法則です。
公式
ΔH = IΔl sinθ / (4πr²) [A/m]
| 記号 | 意味 |
| I | 電流[A] |
| Δl | 電流の小さな一部分の長さ[m] |
| r | その部分から、磁界を求める点までの距離[m] |
| θ | 電流の向きと、その部分から点へ向かう向きのなす角 |
磁界は距離の2乗に反比例し、電流の向きと直角の方向(θ=90°)でいちばん強くなります。磁界の向きは、右ねじの法則で決まります。
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円形コイルの中心の磁界 H=I/(2r)
半径 r の円形の電線の中心では、電線のどの部分も中心から距離 r で、電流の向きと中心へ向かう向きは直角(sin90°=1)です。だから全部の部分の磁界が同じ向きに足し合わさります。
STEP 1
1つの部分の磁界:ΔH = IΔl / (4πr²)
STEP 2
全周の長さ 2πr ぶん足す:H = I × 2πr / (4πr²)
STEP 4
N巻のコイルなら H = NI / (2r)
円弧(半円・1/4円)の中心の磁界
中心角 φ[rad]の円弧なら、長さは rφ なので H = Iφ/(4πr)。半円(φ=π)なら全周の半分で I/(4r)、1/4円なら I/(8r) です。まっすぐな部分(中心を通る直線上にある部分)は sinθ=0 なので、中心の磁界には効きません。
例:I=2A、r=0.1m
STEP 1
円形の中心:H = 2 ÷ (2×0.1) = 10 A/m
STEP 2
半円の中心:H = 2 ÷ (4×0.1) = 5 A/m
STEP 3
真空中の磁束密度:B = μ₀H = 4π×10⁻⁷ × 10 ≒ 1.26×10⁻⁵ T
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中心軸上の磁界と、直線電流の磁界とのちがい
円形コイルの中心軸上(中心から距離 x)
公式
H = Ia² / {2(a² + x²)3/2}
a はコイルの半径です。x=0(中心)で H=I/(2a) と一致し、中心から離れるほど小さくなります。中心軸からずれた向きの成分は、反対側の部分と打ち消し合うので、軸の向きの成分だけが残ります。
形ごとの磁界の式
| 形 | 磁界の強さ H | 使う法則 |
| 無限に長い直線から距離 r | I/(2πr) | アンペール(ビオ・サバールでも同じ) |
| 円形コイルの中心(N巻) | NI/(2r) | ビオ・サバール |
| 半円の中心 | I/(4r) | ビオ・サバール |
| 円形コイルの中心軸上 | Ia²/{2(a²+x²)3/2} | ビオ・サバール |
| 無限長ソレノイドの内部 | nI(nは1mあたりの巻数) | アンペール |
| 環状ソレノイドの内部 | NI/(2πr) | アンペール |
直線は「2π」がつき、円形の中心は「2」だけ、と覚えると取りちがえません。
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平成28年度 問3:半円の中心の磁界
長い線状導体の一部が、点Pを中心とする半径 r の半円になっている。電流 I を流したとき、点Pの磁界の大きさは?
STEP 1
まっすぐな部分は点Pを通る直線上にあるので、点Pの磁界に効かない(sinθ=0)
STEP 2
半円は円形コイルの半分(N=1/2巻)と考える
STEP 3
H = NI/(2r) = (1/2)I/(2r) = I/(4r)
平成30年度 問4:中心軸上の磁界のグラフ
半径 a の円形ループの中心軸(x軸)上の磁界 H(x) のグラフを選ぶ問題です。
STEP 1
ビオ・サバールの法則で、1つの部分の磁界のx方向成分を出す
STEP 2
全周で足して H(x) = Ia²/{2(a²+x²)3/2}
STEP 3
x=0で最大の I/(2a)、|x| が大きくなるほど小さくなる、左右対称の山形のグラフが答え
形を選んで、電流と大きさを入れてください。磁界の強さHと、真空中の磁束密度Bを出します。
入れた数字は画面の中で計算するだけで、どこにも送信されません。μ₀=4π×10⁻⁷ H/m として計算しています。
ビオ・サバールの法則のよくある間違い
| よくある間違い | 正しい考え方 |
| 円形コイルの中心も I/(2πr) | 円形の中心は I/(2r)。2πがつくのは直線 |
| 距離に反比例する | 小さな部分の磁界は距離の2乗に反比例 |
| 半円の中心は I/(2r) | 半周なので I/(4r) |
| まっすぐな部分も中心の磁界に足す | 中心を通る直線上の部分は sinθ=0 で効かない |
| 中心軸上でも中心と同じ大きさ | 中心から離れるほど小さくなる |
よくある質問
Q. ビオ・サバールの法則の式は?
A. ΔH=IΔl sinθ/(4πr²)です。電流の小さな一部分が、距離rの点につくる磁界の大きさを表します。
Q. 円形コイルの中心の磁界は?
A. 半径r、N巻のコイルに電流Iを流すと、中心の磁界はH=NI/(2r)です。1巻ならI/(2r)です。
Q. 半円の中心の磁界は?
A. 円形の半分なのでH=I/(4r)です。中心を通る直線の部分は、中心の磁界に効きません。
Q. アンペールの法則との使い分けは?
A. 直線やソレノイドのように対称な形はアンペール、円形や円弧のような形はビオ・サバールが向いています。
Q. 直線電流の磁界は?
A. 無限に長い直線から距離rの点ではH=I/(2πr)です。円形の中心のI/(2r)と取りちがえないようにします。
まとめ
- ΔH=IΔl sinθ/(4πr²):小さな部分の磁界を足す
- 円形コイルの中心はH=NI/(2r)
- 半円の中心はI/(4r)、円弧はIφ/(4πr)
- 中心軸上はIa²/{2(a²+x²)^(3/2)}
- 直線はI/(2πr)(2πがつく)
この記事の理解を深める本と道具
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