電磁気学（静電場・静磁場・電磁誘導）の問題

真空中に無限に長い直線導線があり、その導線を含む平面内に、$N$ 巻き（$N$ は正の整数）の長方形コイルが置かれている。コイルの 2 辺（長さ $l$）は導線に平行で、導線からの距離はそれぞれ $d$ と $2d$ である（$l>0,d>0$）。導線に流れる電流を、時刻 $t$ の関数として $I(t)=kt$（$k$ は正の定数）のように増加させる。このとき、コイルに生じる誘導起電力の大きさを、$N,l,k$ と真空の透磁率 ${\mu }_0$ を用いて表せ。ただし、コイルの巻線の太さは無視し、コイル自身に流れる電流がつくる磁場（自己誘導）は考えないものとする。

真空中に、十分に長い直線導線と、1 巻きの長方形のコイルが同じ平面内に置かれている。コイルの辺のうち 2 本は直線導線と平行で長さ $b$、残りの 2 本は直線導線に垂直で長さ $a$ である。直線導線に近い側の平行な辺は、直線導線から距離 $a$ の位置にある（したがって遠い側の辺は距離 $2a$ の位置にある）。ここで $a>0$, $b>0$ とする。直線導線とコイルの相互インダクタンス $M$ を、真空の透磁率 ${\mu }_0$, $b$ を用いて表せ。ただし、直線導線の電流の帰路は十分遠くにあって影響は無視でき、導線とコイルの太さも無視する。

真空中に、半径 $a$ の十分に長い円柱形の導線がまっすぐ置かれ、その中心軸に平行に一定の電流 $I$ が流れている。電流は導線の断面に一様に分布している。中心軸からの距離が $\frac{a}{3}$ の点 P（導線の内部）における磁束密度の大きさを、アンペールの法則 $\oint \mathbf{B}\cdot d\mathbf{l}={\mu }_0{I}_{\mathrm{in}}$ を用いて、${\mu }_0$, $I$, $a$ で表せ。ただし、${\mu }_0$ は真空の透磁率で、導線の内部の透磁率も ${\mu }_0$ とする。

真空中に長さ $2a$ の細い直線導線 AB があり、A から B の向きに一定の電流 $I$ が流れている。AB の中点を M とし、M から AB に垂直な向きに距離 $a$ だけ離れた点を P とする。導線 AB の電流だけが点 P につくる磁束密度の大きさを、ビオ・サバールの法則
$$d\mathbf{B}=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\frac{Id\mathbf{l}\times \mathbf{r}}{r^3}$$
（$\mathbf{r}$ は電流要素 $Id\mathbf{l}$ から点 P へ向かうベクトル、${\mu }_0$ は真空の透磁率）を用いて、${\mu }_0$, $I$, $a$ で表せ。ただし、導線 AB 以外の部分（電流を流すための導線など）がつくる磁場は考えない。

内半径 $a$、外半径 $b$ のドーナツ形（円環状）の鉄心があり、透磁率 $\mu$ の一様な磁性体でできている。この鉄心に導線を一様に $N$ 回巻いたトロイダルコイルをつくり、導線に一定の電流 $I$ を流す。鉄心の中心軸からの距離が $r$（$a<r<b$）の鉄心内部の点 P における磁束密度の大きさを、$\oint \mathbf{H}\cdot d\mathbf{l}=I_{\mathrm{free}}$ と $\mathbf{B}=\mu \mathbf{H}$ を用いて、$\mu$, $N$, $I$, $r$ で表せ。