電磁力学
静電場・導体・誘電体
二つの図で静電場の構造と誘電体の分極効果を比較し、、導体内部 、 を定性的に確認します。
器具
- 「モデルA」「モデルB」「一時停止」ボタン付きの静電場3Dキャンバス
- 「振幅／ソース」「波長／スケール」のスライダー
- 図2：分極誘電体の場と「周波数／速度」「視角／係数」スライダー
- 読み出し行と公式注記「E ~ 1/r²；内部 E = 0；D = ε₀εᵣE」
手順
静電場の構造を観察する
図1で「モデルA」「モデルB」ボタンで二つの設定を比較し、ドラッグして視点を回し、「一時停止」で動きを止めて場のパターンを観察します。読み出し「E ~ 1/r²; 平衡導体内部 E = 0; …」を読み、源の近くの領域が遠方より密であることを確認します。
パラメータを変えて則を読み取る
「振幅／ソース」と「波長／スケール」を動かし、読み出しの a・k と場の変化を追います。場が距離とともに に整合して急速に弱まること、また平衡導体内部では表面電荷が外場を打ち消すよう再配置するため全電場がゼロになることに注目します。
分極した誘電体を解析する
図2で「周波数／速度」と「視角／係数」を調整し、「D = ε₀εᵣE; 制御角 θ = …」を読み、誘電体内部と外部の場の分布を比較します。 で解釈します。誘電体は内部の場を 分だけ弱めますが、材料は分極するだけなので、導体が場を追い出すのとは異なり部分的です。
二つのモデルを比較して予測する
図1で「モデルA」「モデルB」を切り替えて力線パターンの違いを記録し、「再開」で動きを戻します。図2の「視角／係数」を0°と90°に設定する前に、θ と場の形がどう変わるかを予測し、読み出しで確認します。
シミュレーション
実験の歴史
1836年、マイケル・ファラデーは彼の名を冠する金属ケージを作り、電荷は導体の外表面にのみ分布し、中空の内部は電場から遮蔽されることを示しました。彼はまた「誘電体」——外場で分極する絶縁材料——を研究し、力線の概念を用いて媒質が電気相互作用を伝える様子を直観的に表しました。
ヘンリー・キャヴェンディッシュはこれに先立ち（1773年頃）、中空導体球の実験が逆二乗則を意味することを示していましたが未発表で、1870年からキャヴェンディッシュ研究所を率いたマクスウェルが再発見・発展させました。『電気磁気論』（1873年）でマクスウェルは電束密度 を導入し、自由電荷が作る場と物質の分極応答を分離しました。これは今日も導体と誘電体を扱う基礎枠組みです。