電磁気難関大レベル

平面電荷の電場に距離を入れてしまう

問題

面電荷密度 σ で一様に帯電した無限に広い平面から、距離 r の点の電場の強さ E を求めよ。真空の誘電率を ε₀ とする。

ありがちな答え

E = \frac{σ}{4 {πε}_{0} r^{2}}

答えの単位で検算する

手順1　求めたい量の単位を確かめる

求めたいのは電場（電界） $E$ 。単位は $\frac{V}{m}$ （＝ $\frac{kg \cdot m}{A \cdot s^{3}}$ ）。

使える量の単位：

手順2　答えの右辺に単位を当てはめる

数字の係数（2、 $\frac{1}{2}$ 、π など）は単位をもたないので無視します。

[

\frac{σ}{ε_{0} r^{2}}

]

= \frac{\frac{C}{m^{2}}}{\frac{F}{m} \cdot m^{2}} = \frac{kg}{m \cdot A \cdot s^{3}}

　× 不一致

手順3　比べる

求めたい量は $\frac{kg \cdot m}{A \cdot s^{3}}$ なのに、答えの単位が合いません。この答えはどこかが間違っています。

点電荷の式に σ を当てはめた。面電荷密度は $\frac{C}{m^{2}}$ なので、さらに r² で割ると単位が合わない。無限平面の電場は距離によらない。

E = \frac{σ}{2 ε_{0}}

[

\frac{σ}{ε_{0}}

]

= \frac{\frac{C}{m^{2}}}{\frac{F}{m}} = \frac{kg \cdot m}{A \cdot s^{3}}

　○ 一致

単位が $\frac{kg \cdot m}{A \cdot s^{3}}$ になり、求めたい量と一致しました。

単位が合っても、答えが正しいとは限りません（係数や sin・cos の間違いは見つけられません）。ただ、単位が合わなければ必ず間違いなので、見直す場所を絞り込めます。

u = \frac{1}{2} ε_{0} E

u = \frac{1}{2} ε_{0} E^{2}

E = \frac{λ}{2 {πε}_{0} r^{2}}

E = \frac{λ}{2 {πε}_{0} r}

V = \frac{kq}{r^{2}}

V = \frac{kq}{r}

電場・電位・ガウスの法則の検算のコツ

電場は $\frac{V}{m}$ 、電位は V で、r の次数が1つ違います。点電荷の電場は r²、直線電荷は r、平面電荷は r によらない。電荷が「長さあたり」「面積あたり」になるたびに、r の次数が1つずつ下がります。