基本問題430 直線電流と円形電流の合成磁場

直線電流と円形電流がつくる合成磁場

直感的理解
直線電流がつくる磁場と円形電流がつくる磁場は互いに直交します。直交するベクトルの合成は三平方の定理で求まり、合成磁場の向きは $\tan\theta$ で表されます。

各磁場の計算:

直線電流 $I_1$ が中心 O につくる磁場(円形コイルの面内方向):

$$H_1 = \frac{I_1}{2\pi r}$$

円形電流 $I_2$(半径 $r$)が中心につくる磁場(コイル面に垂直方向):

$$H_2 = \frac{I_2}{2r}$$

$H_1 \perp H_2$ なので三平方の定理:

$$H = \sqrt{H_1^2 + H_2^2} = \sqrt{\left(\frac{I_1}{2\pi r}\right)^2 + \left(\frac{I_2}{2r}\right)^2} = \frac{1}{2r}\sqrt{\frac{I_1^2}{\pi^2} + I_2^2}$$

合成磁場の方向:$H_2$(コイル面に垂直)と $H_1$(面内)のなす角 $\theta$ は:

$$\tan\theta = \frac{H_2}{H_1} = \frac{I_2/(2r)}{I_1/(2\pi r)} = \frac{\pi I_2}{I_1}$$
答え:
$$H = \frac{1}{2r}\sqrt{\frac{I_1^2}{\pi^2} + I_2^2}$$ $$\tan\theta = \frac{\pi I_2}{I_1}$$
補足:直列と並列の見分け方

2つの抵抗の両端が同じ2つの節点に接続されていれば並列、一方の抵抗を通った電流がそのまま次の抵抗に入れば直列です。

Point

直交する磁場の合成:$H = \sqrt{H_1^2 + H_2^2}$、方向は $\tan\theta = H_2/H_1$。直線電流 $H = \dfrac{I}{2\pi r}$、円形電流 $H = \dfrac{I}{2r}$ をしっかり使い分ける。

具体的な数値計算

直線電流 \(I_1 = 2.0\) A と半径 \(r = 0.050\) m の円形電流 \(I_2 = 1.0\) A を考え、円の中心 O での合成磁場を求めます(中心は直線電流から \(r = 0.050\) m の位置にある)。

直線電流の磁場(O 点):

$$H_1 = \frac{I_1}{2\pi r} = \frac{2.0}{2\pi \times 0.050} \fallingdotseq 6.4 \text{ A/m}$$

円形電流の中心の磁場:

$$H_2 = \frac{I_2}{2 r} = \frac{1.0}{2 \times 0.050} = 10 \text{ A/m}$$

合成磁場(直交するので三平方の定理):

$$H = \sqrt{H_1^2 + H_2^2} = \sqrt{6.4^2 + 10^2} = \sqrt{41.0 + 100} \fallingdotseq 11.9 \text{ A/m}$$

合成磁場の向き:

$$\tan\theta = \frac{H_1}{H_2} = \frac{6.4}{10} = 0.64, \quad \theta \fallingdotseq 33°$$

直線電流の磁場と円形電流の磁場は直交するため、ベクトル和は三平方の定理で得られます。