Магнітне поле

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
На малюнку зображено провідник, навколо якого існує магнітне поле
Магнітні силові лінії, утворені залізною стружкою на папері, до якого піднесений магніт

Магні́тне по́ле — складова електромагнітного поля, за допомогою якої здійснюється взаємодія між рухомими електрично зарядженими частинками.

Магнітне поле — складова електромагнітного поля, яка створюється змінним у часі електричним полем, рухомими електричними зарядами або спінами заряджених частинок. Магнітне поле спричиняє силову дію на рухомі електричні заряди. Нерухомі електричні заряди з магнітним полем не взаємодіють, але елементарні частинки з ненульовим спіном, які мають власний магнітний момент, є джерелом магнітного поля і магнітне поле спричиняє на них силову дію, навіть якщо вони перебувають у стані спокою.

Магнітне поле утворюється, наприклад, у просторі довкола провідника, по якому тече струм або довкола постійного магніту.

Магнітне поле є векторним полем, тобто з кожною точкою простору пов'язаний вектор магнітної індукції \mathbf{B} \ який характеризує величину і напрям магнітого поля у цій точці і може мінятися з плином часу. Поряд з вектором магнітної індукції  \mathbf{B} \ , магнітне поле також описується вектором напруженості \mathbf{H} \ .

У вакуумі ці вектори пропорційні між собою:

 \mathbf{B} = k \mathbf{H} ,

де k — константа, що залежить від вибору системи одиниць.

В системі СІ,   k = \mu_0 — так званій магнітній проникності вакууму. Деякі системи одиниць, наприклад СГСГ, побудовані так, щоб вектори індукції та напруженості магнітного поля тотожно дорівнювали один одному:  k=1  \ .

Однак у середовищі ці вектори є різними: вектор напруженості  \mathbf{H} \ описує лише магнітне поле створене рухомими зарядами (струмами) ігноруючи поле створене середовищем, тоді як вектор індукції  \mathbf{B} \ враховує ще й вплив середовища:

 \mathbf{B} =  \mathbf{H} + 4\pi\mathbf{M} , [1]

де  \mathbf{M}   — вектор намагніченості середовища.

Утворення магнітного поля

На відміну від електричних зарядів, магнітних зарядів, що створювали б магнітне поле аналогічним чином, не спостерігається. Теоретично такі заряди, які отримали назву магнітних монополів, могли б існувати. В такому випадку електричне і магнітне поле були б повністю симетричними.

Таким чином, найменшою одиницею, яка може створювати магнітне поле, є магнітний диполь. Магнітний диполь відрізняється тим, що в нього завжди є два полюси, в яких починаються і кінчаються силові лінії поля. Мікроскопічні магнітні диполі зв'язані зі спінами елементарних частинок. Магнітний диполь мають як заряджені елементарні частинки, наприклад, електрони, так і нейтральні, наприклад, нейтрони. Елементарні частинки з відмінним від нуля спіном можна уявити собі як маленькі магнітики. Зазвичай, частинки з протилежними значеннями спінів спарюються, що призводить до компенсації створених ними магнітних полів, але в окремих випадках можливе вирівнювання спінів багатьох частинок в одному напрямку, що призводить до утворення постійних магнітів.

Магнітне поле — також створюється рухомими електричними зарядами, тобто електричним струмом.

Створенне електричним зарядом поле залежить від системи відліку. Відносно спостерігача, що рухається з однаковою із зарядом швидкістю, заряд нерухомий, і такий спостерігач фіксуватиме тільке створене ним електричне поле. Інший спостерігач, що рухається з іншою швидкістю, фіксуватиме як електричне, так і магнітне поле. Таким чином, електричне і магнітне поля взаємозв'язані, і є складовими частинами загального електромагнітного поля.

При протіканні електричного струму через провідник він залишається електрично нейтральним, однак носії заряду в ньому рухаються, тому навколо провідника виникає тільки магнітне поле. Величина цього поля визначається законом Біо-Савара, а напрям можна визначити за допомогою правила Ампера або правила правої руки. Таке поле є вихровим, тобто його силові лінії замкнуті.

Магнітне поле створюється також змінним електричним полем. За законом електромагнітної індукції змінне магнітне поле породжує змінне електричне поле, що також є вихровим. Взаємне створення електричного і магнітного поля змінними магнітним і електричним полем призводить до можливості розповсюдження в просторі електромагнітних хвиль.

Дія магнітного поля

Дія магнітного поля на рухомі заряди визначається силою Лоренца.

Сила, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі називається силою Ампера. Сили взаємодії провідників зі струмом визначаються законом Ампера.

Нейтральні речовини без електричного струму можуть втягуватися в магнітне поле (парамагнетики) або виштовхуватися з нього (діамагнетики). Виштовхування діамагнетиків з магнітного поля можна використати для левітації.

Феромагнетики намагнічуються в магнітому полі й зберігають магнітний момент при знятті прикладеного поля.

Енергія магнітного поля

Енергія магнітного поля в просторі задається формулою

 W = \frac{1}{8\pi} \int \mathbf{B}\cdot\mathbf{H} dV  .

Відповідно, густина енергії магнітного поля дорівнює

 w = \frac{1}{8\pi} \mathbf{B}\cdot\mathbf{H} .

Енергія магнітного поля провідника зі струмом дорівнює:

 W = \frac{1}{2} L I^2 ,

де  I  — сила струму, а  L  — індуктивність, що залежить від форми провідника.

Термодинаміка

В зовнішньому магнітному полі, яке задається вектором магнітної індукції  \mathbf{B} змінюються значення термодинамічних потенціалів термодинамічних систем. Так, наприклад, приріст внутрішньої енергії одиничного об'єму термодинамічної системи при зміні величини індукції магнітного поля на  d\mathbf{B} дорівнює

 dU =  TdS + \frac{1}{4\pi}\mathbf{H}\cdot d\mathbf{B} ,

де S — ентропія, T — температура.

Відповідно, для вільної енергії

 dF =  -SdT + \frac{1}{4\pi}\mathbf{H}\cdot d\mathbf{B}

Таким чином, напруженість магнітного поля в термодинамічній системі визначається через часткову похідну від вільної енергії при сталій температурі

 H = 4 \pi \left( \frac{\partial F}{\partial B} \right)_T

Одиниці

Магнітна індукція B вимірюється в Теслах в системі СІ, і в Гаусах в системі СГС. Напруженість магнітного поля H вимірюється в А/м в системі CI і в Ерстедах в системі СГС.

Вимірювання

Магнітне поле вимірюється магнітометрами. Механічні магнітометри визначають величину поля за відхиленням котушки зі струмом. Слабкі магнітні поля вимірюються магнітометрами на основі ефекту Джозефсона — СКВІДами. Магнітне поле можна також вимірювати на основі ефекту ядерного магнітного резонансу, ефекту Хола та іншими методами.

Створення

Магнітне поле широко використовується в техніці й для наукових цілей. Для його створення використовуються постійні магніти та електромагніти. Однорідне магнітне поле можна отримати за допомогю котушок Гельмгольца. Для створення потужних магнітних полів, необхідних для роботи прискорювачів або для утримання плазми в установках з ядерного синтезу, використовуються електромагніти на надпровідниках.

Див. також

Джерела

  • І.М.Кучерук, І.Т.Горбачук, П.П.Луцик (2006). Загальний курс фізики: Навчальний посібник у 3-х т. Т.2. Електрика і магнетизм. Київ: Техніка. 
  • Сивухин Д.В. (1977). Общий курс физики. т III. Электричество. Москва: Наука. 
  • Jackson, John David (1999). Classical Electrodynamics (3rd ed.). New York: Wiley. ISBN 0-471-30932-X

Примітки

  1. Формули на цій сторінці записані в системі СГС (СГСГ). Для перетворення в систему СІ дивись Правила переводу формул із системи СГС в систему СІ.