電界と磁界の違いとは？E・D・H・Bの単位と電磁界・電磁波を図解

電界は電荷に電気の力が働く場、磁界は磁石や電流の周囲に生じる磁気の場です。電界は主に電圧や帯電、磁界は主に電流と結び付けると、電気設備の違いを整理しやすくなります。

電界と磁界をまとめた言葉が電磁界で、その変化が波として空間を伝わるものが電磁波です。場が存在することと、波として伝わることを分けるのが理解の出発点になります。

この記事では、E・D・H・Bの意味と単位から、電流の周囲の磁界、電磁誘導、直流と交流の違いまで図解します。制御盤の配線やシールドを考えるときにも使えるよう、式の条件と計算例を添えて説明します。

電界とは

電界はelectric fieldとも呼ばれ、電荷を置くと力が働く場所の性質を表します。「電気のある空間」という説明を一歩進めて、その点に置いた正の電荷が、どちらへどれだけ押されるかを示す量と考えると明確です。

電界の強さを表す記号はEで、単位はV/mです。力を電荷で割ったN/Cとも同じ意味になります。電界には大きさだけでなく向きがあり、正の電荷が受ける力の向きを電界の向きと定めています。

導体に電圧をかけると、その表面に電荷が分布して周囲に電界が生じます。電流がほとんど流れない状態でも電界は存在するため、電圧がかかった送電線や電極を「電流が小さいから電界もない」とは判断できません。

絶縁体が摩擦などで帯電したときにも電界が生じます。冬にセーターを脱いだときや、帯電した物に細かな紙片が引かれるときは、身近な電界の作用を見ています。また、時間とともに変化する磁界も電界の発生に関係します。

電圧と距離から電界を計算する

平行な二枚の金属板の間に電圧をかけると、板の中央付近にはほぼ一様な電界をつくれます。端の広がりを無視でき、板の間が同じ媒質で満たされている場合、電界の大きさは電圧を間隔で割って求めます。

図1：平行板の中央では、電界は高電位側から低電位側へ向く

十分に広い板の中央部を拡大した断面です。間隔0.10mに100Vをかける仮定例を示します。

青＝電界E　茶＝磁界H・磁束密度B
黒＝電流I　灰＝力・寸法・座標軸（以下の図も共通）。

※電界を測るための試験電荷は、元の電界を大きく変えないほど小さいものを考えます。線は電荷の移動経路ではなく、電界の向きを表しています。

同じ電圧で板間距離を半分にすると、このモデルでは電界は二倍になります。一方、板から離れた任意の点にも、同じV/dの式をそのまま使えるわけではありません。電極の形や周囲の導体によって電界の分布が変わるためです。

孤立した点電荷なら電界の大きさは距離の二乗に反比例しますが、平行板の中央はほぼ一様です。「遠ざかれば必ず同じ割合で弱くなる」という一つの式で、あらゆる設備を説明することはできません。

実際のコンデンサで電圧一定と電荷一定をどう区別するかは、コンデンサと電界の関係で整理しています。距離を変えるときは、電源につながった状態かどうかも確認しましょう。

電界Eと電束密度Dの違い

電束密度Dは、媒質の分極も含めて電気の場を扱うときに使う量で、単位はC/m²です。閉じた面を通るDの合計は、その内部の自由電荷と結び付きます。Eと同じ量の別名ではなく、単位も役割も異なります。

この比例式は、応答が線形で方向によらず、時間的な遅れなどを無視できるモデルで使います。異方性がある材料や、周波数による変化が重要な材料では、一本の実数のεだけで全ての応答を表せない場合があります。

空気を真空に近いものとして、εを約8.854×10⁻¹²F/mとすると、図1のDは約8.854×10⁻⁹C/m²です。ここではε×Eを計算しており、Eの1,000という数字が、そのままDの値になるのではありません。

材料の影響を比べる際は、真空の誘電率との比である比誘電率も使います。誘電率と透磁率の違いと合わせて、場を表す量と材料の性質を表す量を分けて覚えると混乱を減らせます。

磁界とは

磁界はmagnetic field、磁場とも呼ばれ、磁石や電流の周囲に生じます。磁石の針が向きを変えたり、電流が流れる導線が力を受けたりする作用から、その存在を確かめられます。

導体に電流が流れると、その経路を取り囲むように磁界が生じます。これはアンペールの法則で扱う関係です。磁束の変化によって起電力が生じる「電磁誘導」とは、説明している現象を分けて考えます。

直線状の導体なら、右手の親指を電流の向きへ向けたとき、残りの指が巻く向きが磁界の向きです。電子の移動方向と、通常の回路で使う電流の正方向は逆なので、矢印を読む基準をそろえましょう。

図2：手前へ流れる電流の周囲では、磁界は反時計回り

電線に直角な断面を、電流が手前へ出てくる向きから見ています。

点P（r＝0.05 m）での値
H ＝ I / (2πr)
H ≈ 31.8 A/m
空気中 B ≈ 40 μT

黒い⊙：手前へ流れる電流I＝10 A。茶の円は磁界の向きを示す補助線です。このモデルでは外ほど弱くなり、強さは1/rに比例します。円の本数を強さの目盛として数えません。

※丸点は矢印の先を正面から見た記号です。現実の回路には戻りの電流経路があり、その磁界も重なります。この図は単独の長い直線電流の近似です。

磁界Hと磁束密度Bの違い

磁界の強さHの単位はA/m、磁束密度Bの単位はTです。測定器や資料で「磁界」と書かれていても、数値の単位がμTなら、通常はBを表示しています。記号を見失ったときは、まず単位を確かめてください。

空気中では透磁率を真空の値に近似し、μを約1.257×10⁻⁶H/mとして扱えます。図2ではH＝10÷(2π×0.05)≒31.8A/mとなり、B＝μH≒4.0×10⁻⁵T、つまり約40μTです。

電流の大きさ、電線からの距離、媒質を仮定した計算なので、工場の任意の地点で同じ値になるわけではありません。長い直線電流ではHは距離に反比例しますが、コイルや磁石、往復配線では空間分布が異なります。

鉄などの強磁性体では、HとBの関係に飽和や履歴が現れます。一定のμを掛けるだけの式を、永久磁石や鉄心の全ての状態に当てはめることはできません。材料を通した磁束の計算には、その材料の特性を使います。

真空の定数も、精密には単位の定義と区別が必要です。2019年のSI改定以降、μ₀は4π×10⁻⁷H/mという厳密な定義値ではありません。この記事のε₀とμ₀は、NISTのCODATA値を丸めた計算用の近似です。

磁石と地磁気でも磁界が生じる

棒磁石の外側では、磁力線をN極からS極へ向くように描きます。内部ではS極からN極へつながり、全体として閉じています。電界の線と同じように、N極から出た線が空間で消えてしまう図にはしません。

地球にも地磁気があり、方位磁針のN極はおおむね北を向きます。これは地理的な北極と磁極が完全に同じ点にあるという意味ではなく、場所によって偏角や伏角もあります。「南から北へ水平に流れる磁界」とだけ捉えると、実際の向きを見誤ります。

磁力線は、場の向きと分布を見やすくするために描く線です。実物の糸や粒子の流れとは異なります。線の読み方と磁束との関係は、磁力線と磁束線の違いでも説明しています。

電磁界とは

電磁界はelectromagnetic fieldとも呼ばれ、電界と磁界をまとめて扱う言葉です。静電界、静磁界、時間的に変化する場を含みます。したがって、「電磁界がある」というだけでは、電磁波が強く放射されているとは限りません。

電圧が加わった電線の周囲には電界があり、電流が流れればその経路の周囲に磁界も生じます。電圧と電流は関係しますが、どちらか一方の数値から、周囲のEとBの全てを決めることはできません。回路の形や周波数も関係します。

量	表しているもの	主な単位	読み違えやすい点
電界 E	電荷に働く電気力に関係する場	V/m	電流が流れなくても存在する
電束密度 D	自由電荷と結び付けて扱う電気の場の量	C/m²	Eと同じ単位ではない
磁界 H	電流や磁化と関連する磁気の場の量	A/m	μT表示の測定値は通常B
磁束密度 B	磁束の面密度に対応する量	T	Hとの比例係数は媒質・状態による

ファラデーの法則は磁束の変化と電界を結ぶ

時間とともに磁束密度が変わると、それに対応した循環する電界が生じます。この関係を局所的に表すのが、次のファラデーの法則です。EとBは向きを持つベクトルとして扱います。

ここでの「回転」は、微小な閉曲線に沿う電界の循環を、囲む面積で割った極限に対応します。∂は、場所を固定して時間の変化を見る記号です。∇×EをEと何かの単純な掛け算として読むのではありません。

固定されたコイルで考えると、面を貫く磁束が変化するほど大きな起電力が生じます。負号の意味は、回路を閉じて電流が流れた場合に、誘導電流がつくる磁束が元の磁束の変化を妨げる向きになることです。元の磁界を常に打ち消す、という意味ではありません。

図3：紙面の奥向きの磁束が増えると、手前向きの磁束をつくる電流が誘導される

固定された閉回路を正面から見た概念図です。外部磁束の成分（×：奥向き）と、誘導電流がつくる成分（⊙：手前向き）を分けて描きます。

外部の磁束の成分：奥向きに増加

誘導電流がつくる磁束の成分

誘導電流がつくる磁束は、外部磁束の増加を妨げる向き＝紙面の手前向き（⊙）です。二つの図は別々の成分であり、外部磁束と誘導成分を合成した分布ではありません。記号の数で強さを比較する図でもありません。

※外部磁束が減少する場合は、誘導電流の向きも逆になります。コイルが開回路なら起電力があっても、同じような持続する回路電流は流れません。

例として100巻の固定コイルを考え、各巻を同じ磁束が通るとします。一巻あたりの磁束が0.10秒で2mWb増え、変化の速さが一定なら、誘導起電力の大きさは次のようになります。

同じ2mWbの変化でも、変化にかかる時間が半分なら起電力は二倍です。コイルの抵抗などを与えていないので、この計算だけから流れる電流までは決まりません。電圧の発生と電流の大きさを分けて考えます。

電流が変わることで自分や別のコイルに起電力を生じる関係は、自己インダクタンスと相互インダクタンスにつながります。交流回路の抵抗成分との違いは、インダクタンスとインピーダンスで確認できます。

直流でも場はあり、切り替わる瞬間には変化する

一定の直流電圧と直流電流が保たれている定常状態では、周囲の電界と磁界も時間的に一定として扱えます。静電界や静磁界は存在しますが、その一定の成分を、振動しながら伝わる波と同一視しません。

ただし、直流電源につながっていても、スイッチを入れた直後や負荷を切り替えた瞬間には電圧や電流が変化します。電子回路が内部で高速にスイッチングしている場合も同様です。電源の表示がDCというだけで、時間変化や放射がないとは言えません。

図4：定常直流と切替過渡、交流を時間軸で分ける

電流の例です。立上りや周期的な変化と、変化が終わった一定区間を区別します。

定常直流

値も向きも一定です。

切替過渡 → 定常

灰の帯＝立上り（過渡）。この区間でも場が変わります。

交流

0をまたいで、大きさと向きが周期的に変わります。

各図の縦軸は電流I、横軸は時間tです。0の位置を明示した概念図で、同じ数値目盛で振幅や時定数を比較する図ではありません。

※波形は区別のための概念図です。変化する電流が全て同じ強さの電磁波を放射するわけではなく、周波数、配線形状、戻り経路などにも依存します。

交流では電圧や電流の大きさと向きが周期的に変わり、それに応じて場も変わります。一方、一度だけのスイッチ投入は周期を持ちませんが、やはり時間変化です。周期的な交流だけを電磁波の唯一の発生源とする説明は正確ではありません。

電磁波では電界と磁界が伴って伝わる

電磁波は、電界と磁界の変化が空間を伝わるものです。真空中を一方向へ進む単一の平面波なら、EとBは互いに直角で、どちらも進行方向に直角になります。この条件では、同じ場所のEとBは同位相で変化します。

つまり、Eが先に現れ、それが消えるとBが現れるという交代制ではありません。図5のように、電界と磁界が伴って存在し、向きと大きさを変えながら伝わります。ベクトルE×Bの向きは、この進行波のエネルギーが進む向きと一致します。

図5：平面波のE・B・進行方向は三つの直交方向

空間の図はある場所・ある瞬間の向き、波形の図は同じ場所での時間変化です。真空中を＋x方向へ進む平面波を示します。

同一点の空間的な向き

Oは共通の原点です。⊙はOから紙面手前に向くBを表し、E×Bは＋x方向を向きます。

同じ場所の成分値は同位相で変化

青＝E の y 成分：＋は上、−は下。
茶＝B の z 成分：＋は手前、−は奥。
波形の上下は成分値の符号を表し、空間的な向きの図とは区別します。

※上下の波形は位相を比べるための別々の目盛です。EとBは単位が違い、図の線の高さが同じ物理量を表すわけではありません。一般の近傍電磁界へ、この直交関係を一律に当てはめません。

電線やコイルのすぐ近くでは、場の分布を一枚の平面波で近似できないことがあります。低い周波数の設備周辺では、電界と磁界をそれぞれ扱って結合を考えることが大切です。Eだけの測定から、常に同じ比率でBを算出できるわけではありません。

また、実際の空間には複数の波や反射も重なります。「電磁界ならEとBは必ず垂直」と覚えるより、平面波というモデルで成り立つ関係と、機器の近傍で確認すべき関係を分けましょう。

現場では発生源と結合の経路を確認する

制御信号にノイズが重なるときは、電圧の変化に結び付く容量性の結合と、電流の変化に結び付く誘導性の結合を考えます。電力線と信号線の距離や並行区間、信号の戻り線の通し方が、影響の受けやすさを変えます。

対策には発生源のノイズ低減、配線の離隔、ツイストペア、シールドなどがありますが、目的と周波数によって効き方は異なります。シールドケーブルの種類と接地方法を確認し、機器メーカーの指定と整合する方法を選びます。

電線を覆えば全ての磁界が消える、接地すれば全周波数のノイズがなくなる、という理解では不十分です。ノイズフィルターの役割も含め、発生源・伝わる経路・影響を受ける側を分けると対策を絞れます。

対策前後は同じ運転状態で確認し、機器の動作への影響も見ます。設計段階で経路と試験条件を整理する手順は、電子機器のノイズ対策とEMCの基本にまとめています。

人のばく露を考える場合は、機器の誤動作評価とは別の確認が必要です。周波数や強度、作業位置、機器の運転条件によって評価が変わるため、この記事の仮定計算を安全限度として使うことはできません。

基礎の確認には電磁界情報センターの電界・磁界の解説が役立ちます。また、労働安全衛生総合研究所の2016年の職業環境解説は、発生源と評価の考え方を学ぶ資料です。制度や基準への適合確認には、対象設備に適用される現行資料を使ってください。

よくある質問

電界と磁界は、電場と磁場とは違う言葉ですか？

一般的な電気の説明では、電界と電場、磁界と磁場はそれぞれ同じ意味で使われます。ただし「磁界」の数値がHなのかBなのかは文脈によるため、A/mかTかという単位まで確認すると確実です。

電流が流れていない電線にも電界はありますか？

電圧がかかり電荷が分布していれば、電流がほとんど流れていなくても電界はあります。実際の機器では待機電流などもあるため、スイッチの表示だけで電界や磁界の有無を決めません。

直流の機器なら電磁波は発生しませんか？

定常的な直流の場と、起動停止や内部スイッチングの時間変化を分けて考えます。DC電源の機器でも、内部で変化する電流があれば、周囲への結合や放射を検討する必要があります。

磁束密度が40μTなら、磁界Hも40ですか？

単位が異なるので同じ値にはなりません。空気中を真空近似した場合、H＝B/μ₀より約31.8A/mです。鉄などの材料内では、その材料の状態に合った関係を使う必要があります。

電界と磁界は、いつでも直角に交わりますか？

真空を一方向に進む単一の平面波では、EとBは直角です。配線やコイルの近傍、複数の波が重なる場などには、その関係を一律に当てはめず、配置と境界条件を確かめます。

まとめ

電界Eは電荷に働く電気力に関係し、磁界Hや磁束密度Bは電流・磁石の周囲の磁気を表します。E・D・H・Bは単位と役割が違い、媒質の性質を通して結び付きます。

電磁界は電界と磁界の総称です。定常状態と時間変化、機器の近くの場と伝播する波を分けることで、直流機器のノイズやシールドの説明も読みやすくなります。式を使うときは、電圧・電流・配置・媒質という条件をそろえましょう。

出典・参考資料

• 電磁界情報センター：電磁界（電界・磁界および電磁界）
• 電気学会：電磁界の性質・特性のQ&A
• MIT OpenCourseWare：Electromagnetics and Applications, Chapter 2（Maxwell方程式・平面波・媒質）
• BIPM：SI Brochure第9版（2026年更新）
• NIST：2022 CODATA Fundamental Physical Constants
• 村田製作所：EMI Suppression, Chapter 4（空間伝導と対策）
• 三菱電機FA：電磁誘導ノイズ
• 三菱電機FA：静電誘導ノイズ
• 労働安全衛生総合研究所：職業環境と電磁界ばく露（2016年）