Магнитное поле

редактировать
Пространственное распределение векторов, позволяющее вычислить магнитную силу на пробной части

Форма магнитного поля, создаваемая подковообразный магнит определяется ориентацией железных опилок, разбросанных на листе бумаги над магнитом.

A магнитное поле - это электрическое поле, это магнитное влияние на движущиеся заряды, электрические токи и намагниченные материалы. Заряд, движущийся в магнитном поле, испытывает силу, перпендикулярную его собственной скорости и магнитному полю. Эффекты магнитных полей обычно наблюдаются в постоянных магнитах, которые притягивают магнитные материалы, такие как железо, и притягивают или отталкивают другие магниты. Кроме того, магнитное поле, которое меняется в зависимости от местоположения, имеет силу на ряд немагнитных материалов, влияет на движение их внешних атомных электронов. Магнитные поля окружают намагниченные материалы и электрические токами, которые используются в электромагнитах, и электрическими полями, изменяемыми другими во времени. Как магнитное поле трансформируется при зеркальном отражении - как поле <, как магнитное поле трансформируется при зеркальном отражении, как магнитное поле трансформируется в зависимости от местоположения, как карта, назначающая вектор каждой точке пространства или точнее, - из-за того, как магнитное поле трансформируется при зеркальном отражении 346>из псевдовекторов.

В электромагнетизме термин «магнитное поле» используется для двух различных, но связанных векторных полей, обозначенных символами B и Н . В системе единиц, Hмагнитная напряженность поля измеряется в основных единицах СИ: ампер на метр (А / м). B, магнитный поток плотность, измеряется в тесла (в основных единицах СИ: килограмм в секунду на ампер), что эквивалентно ньютону на метр на ампер. H и B различаются тем, как они учитывают намагниченность. В вакууме два поля связаны через проницаемость вакуума, B / μ 0 = H {\ displaystyle \ mathbf {B} / \ mu _ {0} = \ mathbf {H }}{\ Displaystyle \ mathbf {B} / \ mu _ {0} = \ mathbf {H}} ; но в намагниченном материале условия различаются на намагниченность материала в каждой точке.

Магнитные поля их движущимися электрическими зарядами и собственными магнитными моментами элементарных частиц, связанных с фундаментальным квантовым свойством, спином. Магнитные поля и электрические поля взаимосвязаны и оба являются компонентами электромагнитной силы, одной из четырех фундаментальных сил природы.

Магнитные поля используются в современной технике, особенно в электротехнике и электромеханике. Вращающиеся магнитные поля используются как в электродвигателях, так и в генераторах. Взаимодействие магнитных полей в электрических устройствах, таких как трансформаторы, концептуализировано и исследовано как магнитные цепи. Магнитные силы дают информацию о носителях заряда в материале через эффект Холла. Земля создает собственное магнитное поле, которое защищает озоновый слой Земли от солнечного ветра и играет роль в навигации с использованием компаса.

Содержание

  • 1 Описание
    • 1.1 B-поле
    • 1.2 H-поле
    • 1.3 Измерение
    • 1.4 Визуализация
  • 2 Взаимодействие с магнитами
    • 2.1 Магнитное поле постоянных магнитов
    • 2.2 Модель магнитного полюса
    • 2.3 Модель петли Ампера
    • 2.4 Сила между магнитами
    • 2.5 Магнитный момент на постоянных магнитах
  • 3 Взаимодействие с электрическими токами
    • 3.1 Магнитное поле из-за движущихся зарядов и электрических токов
    • 3.2 Сила на движущиеся заряды и ток
      • 3.2.1 Сила на заряженную частьцу
      • 3.2.2 Сила на токоведущий провод
      • 3.2.3 Направление силы
  • 4 Связь между H и B
    • 4.1 Намагничивание
    • 4.2 H-поле и магнитные материалы
    • 4.3 Магнетизм
  • 5 Накопленная энергия
  • 6 Связь с электрическими полями
    • 6.1 Закон Фарадея
    • 6.2 Поправка Максвел ла к закону Ампера
    • 6.3 Уравнения Максв
    • 6.4 Электрические и магнитные поля: разные аспекты и того же явления
    • 6.5 Магнитный потенциал
    • 6.6 Квантовая электродинамика
  • 7 Использование и примеры
    • 7.1 Магнитное поле Земли
    • 7.2 Вращающиеся магнитные поля
    • 7.3 Эффект Холла
    • 7.4 Магнитные цепи
    • 7.5 Описание магнитного поля
  • 8 История
    • 8.1 Ранние разработки
    • 8.2 Математические разработки
    • 8.3 Современные разработки
  • 9 См. Также
    • 9.1 Общие
    • 9.2 Математика
    • 9.3 Приложения
  • 10 Примечания
  • 11 Ссылки
  • 12 Дополнительная литература
  • 13 Внешние ссылки

Описание

Сравнение B, Hи M внутри и снаружи цилиндрического стержневого магнита.

Сила, действующая на электрический заряд, зависит от его местоположения, скорости и направления; два векторных поля используются для описания этой силы. Первое - это электрическое поле, которое имеет силу, действующую на неподвижный заряд, и дает составляющую силу, не зависящую от движения. Магнитное поле, напротив, это компонент силы, который пропорционален скорости и направление заряженных частиц. Поле определяется законом силы Лоренца и в каждый момент времени перпендикулярно как движению заряда, так и силе, которое он испытывает.

Есть два разных, соединенных поля, которые иногда «магнитным полем», записанным B и H . Хотя как лучшие названия для этих полей, так и точная интерпретация того, что они предоставляют, были предметом долгих споров, существует широкое использование того, как работает основащая в основе физика. Исторически термин «магнитное поле» был зарезервирован для H, в то время как другие термины использовались для B, но многие недавние учебники используют термин «магнитное поле» для описания B, а также или вместо H . Для обоих есть много альтернативных имен (см. Врезку).

B-поле

Альтернативные названия для B
  • Плотность магнитного потока
  • Магнитная индукция
  • Магнитное поле (неоднозначно)

Вектор магнитного поля B в любой точке может быть определен как вектор, который при включении в закон силы Лоренца правильно предсказывает силу, действующую на заряженную частицу в этой точке. :

закон силы Лоренца (сила форма, единица СИ )

F = q E + q (v × B) {\ displaystyle \ mathbf {F} = q \ mathbf {E} + q (\ mathbf {v} \ times \ mathbf {B})}{\ displaystyle \ mathbf {F} = q \ mathbf {E} + q (\ mathbf {v} \ times \ mathbf {B})}

Здесь F - сила, действующая на частицу, q {\ displaystyle q}q - электрический заряд, v, является скоростью частиц, а × обозначает перекрестное произведение. Первый член в этом уравнении взят из теории электростатики и говорит, что частица с зарядом q в электрическом поле E испытывает электрическую силу:

F electric = q E. {\ displaystyle \ mathbf {F} _ {electric} = q \ mathbf {E }.}{\ displaystyle \ mathbf {F} _ {electric} = q \ mathbf {E}. }

второй член - магнитная сила:

F магнитный = q (v × B). {\ Displaystyle \ mathbf {F} _ {magnet} = q (\ mathbf {v} \ times \ mathbf { B}).} {\ displaystyle \ mathbf {F} _ {магнитный} = q (\ mathbf {v} \ times \ mathbf {B}).}

Используя определение перекрестного произведения, магнитную силу также можно записать в виде скалярное уравнение:

F магнитный = qv B sin ⁡ (θ) {\ displaystyle F_ {Magnetic } = qvB \ sin (\ theta)}{\ displaystyle F_ {Magnetic} = qvB \ sin (\ theta)}

где F магнитный {\ displaystyle F_ {Magnetic}}{\ displaystyle F_ {магнитный}} , v {\ displaystyle v}v и B {\ displaystyle B}B - скалярная величина их соответствующих векторов, а θ {\ displaystyle \ theta}\ theta - угол между скоростью частиц и магнитным полем. Вектор B определяет как новое поле, необходимое для того, чтобы закон силы Лоренца правильно описывал движение заряженной частицы. Другими словами,

[] команда «Измерьте направление и габарит B в таком-то и таком-то месте» требует следующих операций: Взять частицу с известным зарядом q.. Измерьте усилие на q в состоянии покоя, чтобы определить E . Затем измерьте силу, действующую на частицу, когда ее скорость будет v ; из с v в другом направлении. Теперь найдите B, при котором закон силы Лоренца соответствует всем этим результатам - то есть магнитное поле в рассматриваемом месте.

Поле B также можно определить с помощью крутящего момента на магнитном диполе, m.

Магнитный крутящий момент (силой форма, единиц СИ )

τ = m × B {\ displaystyle \ mathbf {\ tau} = \ mathbf {m} \ times \ mathbf {B}}{\ displaystyle \ mathbf {\ tau } = \ mathbf {m} \ times \ mathbf {B}}

В единицах СИ, B измеряется в теслах (символ: T). В Гауссовские единицы измерения, Bизмеряются в гауссах (символ: G). (Преобразование составляет 1 Тл = 10000 Гс). Один нанотесла эквивалентен 1 гамме (символ: γ).

H-поле

Альтернативные названия для H
  • Напряженность магнитного поля
  • Напряженность магнитного поля
  • Магнитное поле
  • Магнитное поле

Магнитное H поле определено:

Определение поля H (сила форма, единицы СИ )

H ≡ 1 μ 0 В - M {\ displaystyle \ mathbf {H} \ Equiv {\ frac {1} {\ mu _ {0}}} \ mathbf {B} - \ mathbf {M}}{\ displaystyle \ mathbf {H} \ Эквив {\ frac {1} {\ mu _ {0}}} \ mathbf {B} - \ mathbf {M}}

Где μ 0 { \ dis playstyle \ mu _ {0}}\ mu _ {0} - это пр оницаемость вакуума, а M - это вектор намагниченности. В вакууме B и H пропорциональны друг другу, при этом мультипликативная константа зависит от физических единиц. Внутри материала они разные (см. H и B внутри и снаружи магнитных материалов).

Поле H измеряется в амперах на метр (А / м) в единицах СИ и в эрстедах (Э) в единицы измерения cgs.

Измерение

Прибор, применяемый для местного измерения магнитного поля, известен как магнитометр. Важные классы магнитометров включают использование индукционных магнитометров (или магнитометров с поисковой катушкой), которые измеряют только переменные магнитные поля, магнитометров с вращающейся катушкой, магнитометров с эффектом Холла, ЯМР-магнитометры, СКВИД-магнитометры и феррозондовые магнитометры. Магнитные поля далеких астрономических объектов измеряются по их влиянию на местные заряженные частицы. Например, электроны, вращающиеся по спирали вокруг силовой линии, производят синхротронное излучение, которое обнаруживается в радиоволнах. Наивысшая точность измерения магнитного поля была достигнута с помощью датчика силы тяжести B при 5 ат (5 × 10 Тл).

Визуализация

Направление силовых линий магнитного поля представлено железными опилками, посыпанными на бумагу, помещенную над стержневым магнитом. Стрелки компаса указать в регионе магнитного поля, к южному полюсу магнита и от его северного полюса.

Поле можно визуализировать с помощью набора линий магнитного поля, которые следуют за направлением поля в каждой точке. Линии могут быть созданы путем измерения силы и направления магнитного поля в большом количестве точек (или в каждой точке пространства). Затем отметьте местоположение стрелкой (называемой вектором ), указывающую в направлении местного магнитного поля, величину которого пропорциональна силе магнитного поля. Соединение этих стрелок образует набор линий магнитного поля. Направление магнитного поля в любой точке направления близлежащих силовых линий, и локальная плотность силовых линий может быть сделана пропорциональной ее напряженности. Линии магнитного поля похожи на линии тока в потоке жидкости в том смысле, что они имеют непрерывное распределение, и при другом разрешении будет больше или меньше линий.

Преимущество использования силовых линий магнитного поля в представлении в том, что многие законы магнетизма (и электромагнетизма) могут быть изложены полностью и кратко с использованием простых понятий, таких как «количество» силовых линий, проходящих через поверхность. Эти концепции можно быстро «перевести» в их математическую форму. Например, количество силовых линий, проход через поверхность, является поверхностным интегралом магнитного поля.

Различные явления «отображают» силовые линии магнитного поля, как если бы силовые линии были физическим явлением. Например, железные опилки, помещенные в магнитное поле, образуют линии, соответствующие «силовым линиям». «Линии» магнитного поля также визуально в полярных сияниях, проявляющихся в взаимодействии дипольных частиц плазмы видимые полосы света, которые совпадают с локальным направлением магнитного поля Земли.

Линии поля можно использовать как качественный инструмент для визуализации магнитных сил. В ферромагнитных веществ, таких как железо и в плазме, магнитные силы можно понять, представив, что силовые линии напряжение (подобно резиновой ленте) вдоль их длины, а давление перпендикулярно их длине на соседних силовых линийх. «В отличие от» полюса магнитов притягиваются, потому что они связаны множеством силовых линий; «Похожие» полюса отталкиваются, потому что их силовые линии не встречаются, а проходят, давя друг на друга. Строгая форма этой концепции - тензор энергии-напряжения электромагнитного поля.

Взаимодействие с магнитами

Постоянные магниты - это объекты, которые свои собственные постоянные магнитные поля. Они сделаны из ферромагнитных материалов, таких как железо и никель, которые намагничены, и у них есть как северный, так и южный полюс.

Магнитное поле постоянных магнитов

Магнитное поле постоянных магнитов может быть довольно сложным, особенно вблизи магнита. Магнитное поле небольшого прямого магнита пропорционально силе магнита (называемой его магнитным дипольным моментом m). Уравнения нетривиальны и также зависят от расстояния от магнита и ориентации магнита. Для магнитов m указывает в направлении простой линии, проведенной от южного к северному полюсу магнита. Переворачивание стержневого магнита эквивалентно повороту его м на 180 градусов.

Магнитное поле больших магнитов может быть получено путем моделирования их как совокупности большого количества маленьких магнитов, называемых диполями, каждый из которых имеет свой собственный m . Магнитное поле, создаваемое магнитом, тогда является чистым магнитным полем этих диполей; любая результирующая сила, действующая на магнит, является результатом суммирования сил на отдельных диполях.

Существуют две конкурирующие модели природы этих диполей. Эти две модели два разных магнитных поля: H и B . Однако вне материалов идентичны (для мультипликативной константы), так что во многих случаях можно игнорировать. Это особенно верно для магнитных полей, например, создаваемые электрическими токами, которые не используются магнитными материалами.

Модель магнитного полюса

Модель магнитного полюса: два противоположных полюса, северный (+) и южный (-), разделенные расстояниями d, образуют H -поле (линии).

Иногда полезно смоделировать силу и крутящие моменты между двумя магнитами, вызывающие из-за отталкивания или притяжения магнитных полюсов друг друга таким же образом, как кулоновская сила между электрическими зарядами. В этой модели магнитное поле H создается фиктивными магнитными зарядами, которые распределены по каждому полюса. Эти магнитные заряды на самом деле связаны с полем намагничивания M.

.Поле H, следовательно, аналогично электрическому полюсу E, которое начинается с положительного электрического заряда . и отрицательным электрическим зарядом. Таким образом, около северного полюса все линии поля H задействуют в сторону северного полюса (внутри магнита или снаружи), а южного полюса все линии поля H задействуют в сторону около южного полюса (внутри магнита или снаружи). Кроме того, северный полюс чувствует силу в направлении поля H, в то время как сила на южном полюсе противоположна полюса H .

В модели магнитного полюса элементарный магнитный диполь m образован двумя противоположными магнитными полюсами с полярностью q m, разделенными вектором небольшого расстояния d, такое, что m = q md. Модель магнитного полюса правильно предсказывает поле H как внутри, так и снаружи магнитных материалов, в частности тот факт, что H противоположно полю намагничивания M внутри постоянного магнит.

Так как она основана на вымышленной идее плотности магнитного заряда, полюсная модель имеет ограничения. Магнитные полюса не могут существовать отдельно друг от друга, как электрические заряды, но всегда идут парами север-юг. Если на поверхности каждой части появляется новый полюс, поэтому у каждого есть пара дополнительных полюсов. Модель магнитного полюса не учитывает магнетизм, который создает электрическими токами, а также внутреннюю связь между угловым моментом и магнетизмом.

В модели полюса магнитный заряд обычно как математическая абстракция, а не как физическое свойство частиц. Однако магнитный монополь - это гипотетическая частица (или класс частиц), которая физически имеет только один магнитный полюс (северный или южный). Другими словами, он обладал бы «магнитным зарядом», аналогичным электрическому. Линии магнитного поля начинаются или заканчиваются на магнитных монополях, поэтому, если они существуют, они будут давать исключения из правила, согласно которому силовые линии магнитного поля не начинаются и не заканчиваются.

Современный интерес к этой концепции связан с теориями частиц, в частности Теориями Великого Объединения и теориями суперструн, которые предсказывают либо существование, либо возможность магнитных монополей. Эти и другие теории вдохновили обширные усилия по поиску монополей. Несмотря на эти усилия, на сегодняшний день магнитного монополя не наблюдается. В недавнем исследовании материалы, известные как спиновые льды, могут имитировать монополи, но не содержат настоящих монополей.

Модель петли Ампера

Модель петли Ампера Петля тока (кольцо), который переходит на страницу в точке x и выходит в точке, создает поле B (строки). По мере уменьшения радиуса токовой петли создаваемые поля становятся идентичными абстрактному «магнитостатическому диполю» (представленному стрелкой, указывающей вправо).

После того, как Эрстед продемонстрировал, что электрические токи могут влиять на намагниченный объект, Ампер обнаружил, что электрические токи притягивают и отталкивают друг друга подобно магнитам, было естественно предположить, что все магнитные поля возникают из-за контуров электрического тока. В этой модели, разработанной Ампером, элементарный магнитный диполь, из которого состоят все магниты, представляет собой достаточно малую амперовскую петлю тока I. Дипольный момент этой петли равен m = IA, где A - площадь петли.

Эти магнитные диполи создают магнитное поле B . Одним из важных свойств поля B, созданного таким образом, является то, что линии магнитного поля B не начинаются и не заканчиваются (математически B является соленоидом . векторное поле ); линия поля простирается до бесконечности или огибает, образуя замкнутую кривую. На сегодняшний день не найдено исключений из этого правила. (См. магнитный монополь ниже.) Линии магнитного поля выходят из магнита около его северного полюса и входят около егоюжного полюса, но внутри магнита линии поля B проходит через магнит от южный полюс вернулся на север. Если линия поля B входит куда-то в магнит, она должна куда-то уйти; не допускается иметь конечную точку.

Более формально, поскольку все силовые линии магнитного поля, которые входят в любую заданную область, должны также покидать эту область, вычитание «количества» силовых линий, которые входят в область, из числа, которое выходит, дает идентичный ноль. Математически это эквивалентно закон Гаусса для магнетизма :

\ oiint S {\ displaystyle {\ scriptstyle S}}{\ scriptstyle S} B ⋅ d A = 0, {\ displaystyle \ mathbf {B} \ cdot {\ rm {d}} \ mathbf {A} = 0,}{\ displaystyle \ mathbf {B} \ cdot {\ rm {d}} \ mathbf {A} = 0,}

где интеграл - это интеграл поверхности по замкнутой поверхности S (замкнутая поверхность - это поверхность, которая полностью окружает область с без отверстий для выхода линий поля). D A указывает наружу, скалярное направление в интеграле положительно для указывающего поля B и отрицательно для поля B, указывающего внутрь.

Магнитное поле магнитного диполя изображено на рисунке. Снаружи идеальный магнитный диполь идентичен идеальному электрическому диполю такой же силы. В отличие от электрического диполя, магнитный диполь правильно моделируется как токовая петля, имеющая ток I и площадь a. Такая токовая петля имеет магнитный момент:

m = I a, {\ displaystyle m = Ia, \,}m = Ia, \,

, где направление m перпендикулярно области петли и зависит от направления тока с использованием правил правой руки. Идеальный магнитный диполь моделируется как реальный магнитный диполь, площадь которого уменьшена до нуля, а его увеличен до бесконечности, так что произведение m = Ia является конечным. Эта модель проясняет связь между угловым моментом и магнитным моментом, который основан на эффекте Эйнштейна-де Гааза вращение под действием намагничивания и его обратного, эффект Барнетта или намагничивания посредством вращения. Более быстрое вращение петли (в том же направлении) увеличивает, например, ток и, следовательно, магнитный момент.

Сила между магнитами

Определение силы между двумя маленькими магнитами довольно сложно, потому что это зависит от силы и ориентации обоих магнитов, а также от их расстояния и направления относительно каждого из них. Другие. Сила особенно чувствительна к вращению магнитов из-за магнитного момента. Сила, действующая на каждый магнит, зависит от его магнитного момента и магнитного поля другого.

Чтобы понять силу между магнитами, изучить модель магнитного полюса, приведенную выше. В этой модели поле H одного магнита толкает и притягивает оба полюса второго магнита. Если это H -поле одинаково на обоих полюсах второго магнита, то на этот магнит отсутствует результирующая сила, поскольку сила противоположна для противоположных полюсов. Однако, если магнитное поле первого магнита неоднородно (например, H около одного из его полюсов), каждый полюс второго магнита видит другое поле и подвергается действию разной силы. Эта разница в двух силх перемещает магнит в направлении увеличения магнитного поля и также может вызвать чистый крутящий момент.

Это конкретный пример правил, согласно которому магниты притягиваются (или отталкиваются в зависимости от ориентации магнита) в области с более сильным магнитным полем. Любое неоднородное магнитное поле, вызванное постоянными магнитами или электрическим током, таким образом воздействует на небольшой магнит.

Детали модели петли Ампера отличаются и более сложны, но дают тот же результат: магнитные диполи притягиваются / отталкиваются в области более высокого магнитного поля. Математически сила, действующая на небольшой магнит с магнитным моментом м, создаваемая магнитным полем B, равна:

F = ∇ (m ⋅ B), {\ displaystyle \ mathbf {F } = {\ boldsymbol {\ nabla}} \ left (\ mathbf {m} \ cdot \ mathbf {B} \ right),}{\ displaystyle \ mathbf {F} = {\ boldsymbol {\ nabla}} \ left (\ mathbf {m} \ cdot \ mathbf {B } \ right),}

, где градиент ∇- это изменение количества m· Bна на единицу расстояния, а направление - увеличение на m· B. скалярное произведение m· B= mBcos (θ), где m и B значение векторов m и B <33>, а θ - величина угла между ними. Если m находится в том же направлении, что и B, то скалярное произведение положительно, и градиент указывает «вверх», притягивая магнит в области более высокого поля B . (более строго более крупный m· B). Это уравнение действительно только для магнитов нулевого размера. Магнитная сила на больших магнитах определяется путем их разделения на более мелкие области, каждая из которых имеет свои собственные элементы m, суммирования сил на из этих очень маленьких областей.

Магнитный момент на постоянных магнитах

Если два одинаковых полюса двух разных магнитов поднести друг к другу, и из магнитов дать возможность повернуться, он быстро повернется, чтобы выровняться с первого. В этом примере магнитное поле неподвижного магнита создается магнитный крутящий момент на магните, который может свободно вращаться. Этот магнитный момент τ стремится выровнять полюса магнита с линией магнитного поля. Компас, следовательно, поворачивается, чтобы выровняться с магнитным полем Земли.

Крутящий момент на диполе В полюсной модели диполя поле H (справа) вызывает равные, но противоположные силы момента на полюсе N (+ q) и полюсе S (- q) создает крутящего момента. Эквивалентно, поле B индуцирует один и тот же крутящий момент в токовой петле с тем же магнитным дипольным моментом.

С точки зрения модели полюса, два равных и противоположных магнитных заряды, испытывающие одинаковые H, также испытывают равные и противоположные силы. Эти силы устанавливают между собой равные и противоположные силы. С определением m как силы полюса, умноженной на расстояние между полюсами, это приводит к τ = μ 0 mHsinθ, где μ 0 - постоянная, называемая проницаемость вакуума, размер 4π × 10 V ·s /(A ·m ), а θ - угол между H и m.

Перекрестное произведение : | a× b| = ab sinθ.

Математически крутящий момент τ на небольшом магните пропорционален приложенному магнитному полю и магнитному моменту m магнита:

τ знак равно м × В = μ 0 м × ЧАС, {\ Стиль отображения {\ boldsymbol {\ tau}} = \ mathbf {m} \ times \ mathbf {B} = \ mu _ {0} \ mathbf {m} \ times \ mathbf {H}, \,}{\ boldsymbol {\ tau}} = \ mathbf {m} \ times \ mathbf {B} = \ mu _ {0} \ mathbf {m} \ times \ mathbf {H}, \,

где × представляет вектор кросс-произведение. Это уравнение включает всю качественную информацию, включенную выше. На магните нет крутящего момента, если m находится в том же направлении, что и магнитное поле, поскольку перекрестное произведение равно нулю для двух векторов, которые находятся в одном направлении. Кроме того, все другие ориентации ощущают крутящий момент, который скручивает их в направлении магнитного поля.

Взаимодействие с электрическими токами

Токи электрических зарядов как генерируют магнитное поле, так и ощущают силу, обусловленную магнитными B-полями.

Магнитное поле из-за движущихся зарядов и электрических токов

Правило захвата рукой правой : ток, текущий в направлении белой стрелки, создается магнитное поле, красное стрелками.

Все движущиеся заряженные частицы магнитные поля. Движущиеся точечные заряды, такие как электроны, содержат, но хорошо известные магнитные поля, которые зависят от заряда, скорости и ускорения частиц.

Силовые линии магнитного поля образуют концентрические окружности вокруг цилиндрического проводника с током, например отрезка провода. Направление такого магнитного поля можно определить с помощью «правила для правой руки » (см. Рисунок справа). Сила магнитного поля уменьшается с удалением от провода. (Для длины длины провода обратно пропорциональна расстоянию.)

Соленоид

Сгибание токоведущего провода в петли, ослабляя его снаружи, концентрирует магнитное поле внутри петли. Сгибание провода в несколько гнезд петель с образованием катушки или «соленоида » усиливает этот эффект. Устройство, сформированное таким образом вокруг железного сердечника, может действовать как электромагнит, создавая сильное, хорошо управляемое магнитное поле. Бесконечно длинный цилиндрический электромагнит имеет однородное магнитное поле внутри и не имеет магнитного поля снаружи. Электромагнитная конечная длина представляет собой магнитное поле, которое создается однородным постоянным магнитом, его сила и сила и сила жесткости током, протекающим через катушку.

Магнитное поле, создаваемое постоянным током I (постоянный поток электрических зарядов, в котором заряд не накапливается и не истощается в любой точке) описывается закон Био - Савара :

B знак равно μ 0 I 4 π ∫ проводной ℓ × r ^ r 2, {\ displaystyle \ mathbf {B} = {\ frac {\ mu _ {0} I} {4 \ pi}} \ int _ {\ mathrm {wire}} {\ frac { \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}} \ times \ mathbf {\ hat {r}}} {r ^ {2}}},}\ mathbf {B} = {\ frac {\ mu _ {0} I} {4 \ pi}} \ int _ {\ mathrm {wire}} {\ frac {\ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}} \ times \ mathbf {\ hat {r}}} {r ^ {2}}},

где интегральные суммы по длине провода, где вектор d ℓ - это вектор линейный элемент с направлением в том же смысле, что и ток I, μ 0 - магнитная постоянная, r - расстояние между местоположением d ℓ и местоположением, где вычисляется магнитное поле, а r̂ - единичный вектор в направлении r . Например, в случае достаточно длинного прямого провода это становится:

| B | знак равно μ 0 2 π р I {\ displaystyle | \ mathbf {B} | = {\ frac {\ mu _ {0}} {2 \ pi r}} I}{\ displaystyle | \ mathbf {B} | = {\ frac {\ mu _ {0}} {2 \ pi r}} I}

где r = | г |. Направление круга круга, перпендикулярного проводу, согласно правиламу правой руки.

Несколько более общих способов соотнесения тока I {\ displaystyle {I}}{I} в поле B выполнено закон Ампера :

∮ B ⋅ d ℓ знак равно μ 0 Я enc, {\ displaystyle \ oint \ mathbf {B} \ cdot \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}} = \ mu _ {0} I _ {\ mathrm {enc}}, }\ oint \ mathbf {B} \ cdot \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}} = \ mu _ {0} I _ {\ mathrm {enc}},

где линейный интеграл находится над любым произвольным циклом, а I {\ displaystyle {I}}{I} enc - это ток, заключенный в этом цикле. Закон Ампера всегда установившихся токов и местный расчет поля B для высокосимметричных ситуаций, таких как бесконечный провод или бесконечный соленоид.

В модифицированной форме, которая учитывает закон изменяющиеся во времени электрического поля, Ампера является одним из четырех уравнений Максвелла, описывающих электричество и магнетизм.

Сила, действующая на движущиеся заряды и ток

Дрейф заряженной частицы в магнитном поле без (A) другой чистой силы, (B) дополнительного электрического поля E, (C) сила F, такая как гравитация, не зависящая от ее заряда, и (D) в неоднородном магнитном поле.

Сила, действующая на заряженную частьцу

A заряженную часть, движущуюся в B -поле испытывает боковую силу, пропорциональную силе магнитного поля, составляющую скорость, перпендикулярной магнитной полюса и заряду частицы. Эта сила известна как сила Лоренца и определяется выражением

F = q E + qv × B, {\ displaystyle \ mathbf {F} = q \ mathbf {E} + q \ mathbf {v} \ times \ mathbf {B},}{\ displaystyle \ mathbf {F } = q \ mathbf {E} + q \ mathbf {v} \ times \ mathbf {B},}

где F - сила, q - электрический заряд частицы, v - мгновенный скорость частицы, а B - магнитное поле (в теслах ).

Сила Лоренца всегда перпендикулярна как скорости частицы, так и магнитному полю, создавшему ее. Когда заряженная частица движется в постоянном магнитном поле, она движется по спиральной траектории, ось спирали которой параллельна магнитному полю, а скорость частицы остается постоянной. Поскольку магнитная сила всегда перпендикулярна движению, магнитное поле не может работать с изолированным зарядом. Он может работать только косвенно, через электрическое поле, создаваемое изменяющимся магнитным полем. Часто утверждают, что магнитная сила может работать с неэлементарным магнитным диполем или с заряженными частицами, движение которых ограничено другими силами, но это неверно, потому что в этих случаях работа выполняется электрические силы зарядов, отклоняемых магнитным полем.

Сила на токоведущий провод

Сила, действующая на токоведущий провод, аналогична силе движущегося заряда, как и ожидалось, поскольку токоведущий провод представляет собой совокупность движущихся зарядов. Провод с током ощущает силу в присутствии магнитного поля. Сила Лоренца на макроскопическом токе часто называется силой Лапласа. Рассмотрим проводник длины, сечения A и заряда q за счет электрического тока i. Если этот проводник поместить в магнитное поле величиной B, которое составляет угол θ со скоростью зарядов в проводнике, сила, действующая на один заряд q, будет

F = qv B sin ⁡ θ, {\ displaystyle F = qvB \ sin \ theta,}F = qvB \ sin \ theta,

поэтому для N зарядов, где

N = n ℓ A {\ displaystyle N = n \ ell A}N = n \ ell A ,

сила, действующая на проводник, равна

f = FN знак равно QV В N ℓ A грех ⁡ θ знак равно В я ℓ грех ⁡ θ {\ Displaystyle F = FN = qvBn \ ell A \ sin \ theta = Bi \ ell \ sin \ theta}е = FN = qvBn \ ell A \ sin \ theta = Bi \ ell \ sin \ theta ,

где я = nqvA.

Правило правой руки : Направление большого пальца правой руки в направлении условного тока, а пальцы в направлении B, сила тока выходит из ладони. Сила обратная для отрицательного заряда. Влияние сильного магнитного поля на электрон кеплер-орбиту в кулоновском поле атомного ядра в атоме водорода (помещенном в центре), обнажая траекторию -отражающий характер поля. Из-за действия сильной силы Лоренца эллиптическая орбита деформируется в двойную 8-образную орбиту, ось симметрии которой дополнительно медленно вращается вокруг положительно заряженного ядра.

Направление силы

Направление силы на заряд или ток можно определить с помощью мнемоники , известной как правило правой руки (см. рисунок). Используя правую руку, направьте большой палец в направлении тока, а пальцы - в направлении силы, действующей на заряд, направлена ​​наружу от ладони. Сила, действующая на отрицательно заряженную частицу, имеет противоположное направление. Если и скорость меняются, то направление силы остается прежним. По этой причине измерение магнитного поля (само по себе) не может различить, есть ли положительный заряд, движущийся вправо, или отрицательный заряд, движущийся влево. (Оба случая производят один и тот же ток.) ​​С другой стороны, магнитное поле в соединении с электрическим полем может различать их, см. эффект Холла ниже.

Альтернативой мнемонике правила правой руки является правилом левой руки Флеминга.

Связь между H и B

Формулы, полученные для магнитного поля выше, верны при работе с весь ток. Однако магнитный материал, помещенный в магнитное поле, генерирует собственный связанный ток, который может быть сложной задачей для расчета. (Этот связанный ток является результатом суммы токовых петель атомного размера и спина субатомных частиц, таких как электроны, составляющие материал.) Поле H, как определено выше, помогает исключить этот связанный ток; но чтобы увидеть, как это сделать, сначала понятие намагничивания.

намагничивание

Векторное поле намагниченности M показывает, насколько сильно намагничена область материала. Он определен как чистый магнитный дипольный момент на единицу объема этой области. Таким образом, намагниченность однородного магнита является материальной постоянной, равной магнитному моменту m магнита, деленному на его объем. Измерение магнитного момента в системе СИ - А · м, единица измерения намагниченности M в системе СИ - это ампер на метр, что совпадает с приборами измерения поля H .

Поле намагниченности M области указывает в области среднего магнитного дипольного момента в этой области. Поэтому силовые линии намагничивания начинаются около южного магнитного полюса и заканчиваются около северного магнитного полюса. (Намагничивание не существует вне магнита.)

В модели петли Ампера намагничивание происходит из-за объединения множества крошечных петель Ампера для образования результирующего тока, называемого представленного током. Этот связанный ток является магнитным полем B, создаваемым магнитом. (См. Магнитные диполи ниже и зависимость магнитных полюсов от атомных токов для дополнительной информации.) Данное определение магнитного диполя, поле намагничивания подчиняется закону, аналогичному закону Ампера:

∮ М ⋅ d ℓ знак равно I b, {\ displaystyle \ oint \ mathbf {M} \ cdot \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}} = I _ {\ mathrm {b}},}\ oint \ mathbf {M} \ cdot \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}} = I _ {\ mathrm {b}},

, где интеграл - это линейный интеграл по любому замкнутому контуру, а I b - связанный ток, заключенный в этом замкнутом контуре.

В модели магнитного полюса намагничивание начинается и заканчивается на магнитных полюсах. Следовательно, если область имеет чистую положительную «напряженность магнитного полюса» (соответствующему северному полюсу), тогда в нее входит больше силмагничивания, чем выходит из нее. Математически это эквивалентно:

∮ S μ 0 M ⋅ d A = - q M {\ displaystyle \ oint _ {S} \ mu _ {0} \ mathbf {M} \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {A } = -q _ {\ mathrm {M}}}\ oint _ {S} \ mu _ {0} \ mathbf {M } \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {A} = -q _ {\ mathrm {M}} ,

где интеграл представляет собой интеграл замкнутой поверхностью по замкнутой поверхности S, а q M представляет собой "магнитный заряд" (в единицах магнитный поток ), заключенный в S. (замкнутая поверхность полностью окружает область без отверстий, позволяющих выходить силовым линией). Отрицательный знак возникает, потому что поле намагничивания перемещается с юга на север.

H-поле и магнитные материалы

В единицах СИ H-поле связано с B-полем как

H ≡ B μ 0 - M. {\ displaystyle \ mathbf {H} \ Эквив \ {\ frac {\ mathbf {B}} {\ mu _ {0}}} - \ mathbf {M}.}{\ displaystyle \ mathbf {H} \ \ Эквив \ {\ frac {\ mathbf {B}} {\ mu _ {0}}} - \ mathbf {M}.}

В терминах H-поля Закон Ампера:

∮ H ⋅ d ℓ = ∮ (В μ 0 - M) ⋅ d ℓ знак равно I tot - I b = I f, {\ displaystyle \ oint \ mathbf {H} \ cdot \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}} = \ oint \ left ({\ frac {\ mathbf {B}} {\ mu _ {0}}} - \ mathbf {M} \ right) \ cdot \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}} = I _ {\ mathrm {tot}} -I _ {\ mathrm {b}} = I _ {\ mathrm {f}},}{\ displaystyle \ oint \ mathbf {H} \ cdot \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}} = \ oint \ left ({\ frac {\ mathbf {B}} {\ mu _ {0}}} - \ mathbf {M} \ right) \ cdot \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}} = I _ {\ mathrm {tot}} -I _ {\ mathrm {b}} = I _ {\ mathrm {f}},}

где I f представляет «свободный ток», заключенный в контуре, так что линейный интеграл H вообще не зависит от связанных токов.

Для дифференциального эквивалента этого уравнения см. уравнения Максвелла. Закон Ампера приводит к граничному условию

(H 1 ∥ - H 2 ∥) = K f × n ^, {\ displaystyle \ left (\ mathbf {H_ {1} ^ {\ parallel}} - \ mathbf {H_ { 2} ^ {\ parallel}} \ right) = \ mathbf {K} _ {\ mathrm {f}} \ times {\ hat {\ mathbf {n}}},}{\ displaystyle \ left (\ mathbf {H_ {1} ^ {\ parallel}} - \ mathbf {H_ {2} ^ {\ parallel}} \ right) = \ mathbf {K} _ {\ mathrm {f}} \ times {\ шляпа {\ mathbf {n}}},}

где Kf- поверхностная плотность свободного тока и единичная нормаль n ^ {\ displaystyle {\ hat {\ mathbf {n}}}}{\ hat {\ mathbf {n}}} указывает в направлении от среды 2 к среде 1.

Аналогично, поверхностный интеграл элемент H на любой замкнутой поверхности не зависит от свободных токов и определяет «магнитные заряды» внутри этой замкнутой поверхности:

∮ S μ 0 ЧАС ⋅ d знак равно ∮ S (В - μ 0 M) ⋅ d A знак равно 0 - (- q M) = q M, {\ displaystyle \ oint _ {S} \ mu _ {0} \ mathbf {H} \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {A} = \ oint _ {S} (\ mathbf {B} - \ mu _ {0} \ mathbf {M}) \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {A} = 0 - (- q _ {\ mathrm {M}}) = q _ {\ mathrm {M}},}{\ displaystyle \ oint _ {S} \ mu _ {0} \ mathbf {H} \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {A} = \ oint _ {S} (\ mathbf {B} - \ mu _ {0} \ mat hbf {M}) \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {A} = 0 - (- q_ {\ mathrm {M}}) = q _ {\ mathrm {M}},}

который не зависит от свободных токов.

Таким образом, поле H можно разделить на две независимые части:

H = H 0 + H d, {\ displaystyle \ mathbf {H} = \ mathbf {H} _ {0} + \ mathbf {H} _ {\ mathrm {d}}, \,}\ mathbf {H} = \ mathbf {H} _0 + \ mathbf {H} _ \ mathrm {d}, \,

где H0- приложенное магнитное поле, создаваемое только свободными токами, а Hd- размагничивающее поле за счет только связанных токов.

Магнитное поле H, следовательно, повторно факторно влияет на связанный ток с точки зрения «магнитных зарядов». Силовые линии H петляют только вокруг «свободного тока» и отличие от магнитного поля B, также начинаются и заканчиваются вблизи магнитных полюсов.

Магнетизм

Большинство материалов реагируют на приложенное поле B, создавая свою собственную намагниченность M и, следовательно, свою собственную B -поля. Обычно ответ слабый и существует только при приложении магнитного поля. Термин «магнетизм», как материалы реагируют на микроскопическом уровне на приложенное магнитное поле, используется для классификации магнитной фазы материала. Материалы делятся на группы в зависимости от их магнитных свойств:

. В случае парамагнетизма и диамагнетизма, намагниченности M часто измена приложенному магнитному полюсу, так что:

B = μ H, {\ displaystyle \ mathbf {B} = \ mu \ mathbf {H},}\ mathbf {B} = \ mu \ mathbf {H},

, где μ - параметр, зависящий от материала, называемый проницаемостью. В некоторых случаях проницаемость может быть тензором второго ранга, так что H может не указывать в том же направлении, что и B . Эти соотношения между B и H являются примерами основных соотношений. Однако сверхпроводники и ферромагнетики имеют более сложное соотношение B -до- H ; см. магнитный гистерезис.

Накопленная энергия

Энергия необходима для создания магнитного поля как для работы против электрического поля, создаваемого изменяемым магнитным полем, так и для изменения намагниченности любого материала в магнитном поле. Для недисперсионных материалов эта же энергия высвобождается при разрушении магнитного поля, так что энергия может быть смоделирована как хранимая в магнитном поле.

Для линейных, недисперсионных материалов (таких, что B = μ H, где μ не зависит от частоты), плотность энергии равенство:

U = B ⋅ H 2 = B ⋅ B 2 μ = μ HH 2. {\ displaystyle u = {\ frac {\ mathbf {B} \ cdot \ mathbf {H}} {2}} = {\ frac {\ mathbf {B} \ cdot \ mathbf {B}} {2 \ mu}} = {\ frac {\ mu \ mathbf {H} \ cdot \ mathbf {H}} {2}}.}u = \ frac {\ mathbf {B} \ cdot \ mathbf {H}} {2 } = \ frac {\ mathbf {B} \ cdot \ mathbf {B}} {2 \ mu} = \ frac {\ mu \ mathbf {H} \ cdot \ mathbf {H}} {2}.

Если поблизости нет магнитных материалов, то μ можно заменить на μ 0. Однако приведенное выше уравнение нельзя использовать для нелинейных материалов; необходимо использовать более общее выражение, приведенное ниже.

В общем, дополнительный объем работы на единицу объема δW, необходимое для того, чтобы вызвать небольшое изменение магнитного поля δ B, составляет:

δ W = H ⋅ δ B. { \ displaystyle \ delta W = \ mathbf {H} \ cdot \ delta \ mathbf {B}.}\ дельта W = \ mathbf {H} \ cdot \ delta \ mathbf {B}.

Если связь между H и B известна, это уравнение используется для определения работы, для достижения заданного магнитного состояния. Для гистерезисных материалов, таких как ферромагнетики и сверхпроводники, необходимая работа также зависит от того, как создается магнитное поле. Однако для линейных недисперсных материалов уравнение включает в себя к более простому уравнению энергии, приведенному выше.

Связь с электрическими полями

Закон Фарадея

Изменяющееся магнитное поле, такое как магнит, движущийся через проводящую катушку, создает электрическое поле (и поэтому имеет тенденцию управлять током в такой катушке). Это известно как закон Фарадея и лежит в основе многих электрических генераторов и электродвигателей. Математически закон Фарадея выглядит так:

E = - d Φ dt, {\ displaystyle {\ mathcal {E}} = - {\ frac {\ mathrm {d} \ Phi} {\ mathrm {d} t}}, }{\ displaystyle {\ mathcal {E}} = - {\ frac {\ mathrm {d} \ Phi} {\ mathrm {d} t} },}

где E {\ displaystyle \ scriptstyle {\ mathcal {E}}}\ scriptstyle \ mathcal { E} - электродвижущая сила (или ЭДС, напряжение генерируется вокруг замкнутого контура), а Φ - магнитный поток - произведение площади на магнитное поле , нормальное к этой области. (Это определение магнитного потока является причиной того, что B называют часто плотностью магнитного потока.) Отрицательный знак представляет тот факт, что любой ток, генерируемый изменяющимся магнитным полем в катушке, создает магнитное поле, которое противодействует изменение магнитного поля, которое его вызвало. Это явление известно как закон Ленца. Эта интегральная формулировка закона Фарадея может быть преобразована в дифференциальную форму, которая используется при несколько условиях. Эта форма как одно из уравнений Максвелла ниже.

Поправка Максвелла к закону Ампера

Подобно тому, как изменяющееся магнитное поле электрическое поле, изменяющееся электрическое поле создается магнитное поле. Этот факт известен как поправка Максвелла к закону Ампера и имеет как дополнительный член к закону Ампера, как указано выше. Этот дополнительный член пропорционален скорости изменения электрического потока во времени и подобен закону Фарадея, приведенному выше, но с другой положительной константой спереди. (Электрический поток через площадь пропорционален площади, умноженной на перпендикулярную часть электрического поля.)

Полный закон, включающий поправочный член, известен как уравнение Максвелла - Ампера. Обычно он не действует в интегральной форме, потому что его обычно можно игнорировать в большинстве случаев, когда используется интегральная форма.

Термин Максвелла критически важен при создании и распространении электромагнитных волн. Поправка Максвелла к закону Ампера вместе с законом индукции Фарадея, как взаимно изменяющиеся электрические и магнитные поля взаимодействуют, поддерживая друг друга, таким образом, образуя электромагнитные волны, такие как свет: изменяющееся электрическое поле порождает изменяющееся магнитное поле, который снова генерирует изменяющееся электрическое поле. Однако они обычно описываются с использованием приведенной ниже дифференциальной формы этого уравнения.

Уравнения Максвелла

Как и все представлены поля, магнитное поле имеет два важных математических свойства, которые связывают его с его источниками. (Для B служат токи ияяющиеся электрические поля.) Эти два свойства вместе с двумя электрическими полями составляют Максвелла. Уравнения Максвелла вместе с законом силы Лоренца полное описание классической электродинамики, включая электричество и магнетизм.

Первое свойство - это расхождение защиты поля A, ∇· A, которое представляет, как A «течет» наружу заданной точки. Как обсуждалось выше, строка поля B никогда не начинается и не заканчивается в точке, а вместо этого образует полный цикл. Это математически эквивалентно тому, что дивергенция B равна нулю. (Такие поля называются соленоидальными векторными полями.) Это свойство называется законом Гаусса для магнетизма и эквивалентно утверждению об отсутствии проигравших магнитных полюсов или магнитных монополей.. С другой стороны, электрическое поле начинается на электрических зарядах, поэтому его расходимость не равна нулю и пропорциональна плотности заряда (см. закон Гаусса ).

Второе математическое свойство называется curl, так что ∇× Aпредставляет, как A изгибается или «циркулирует» вокруг заданной точки. Результат завивки называется «циркуляции». Уравнения для ротора B и E называются уравнением Ампера - Максвелла и законом Фарадея соответственно. Они представляют собой интегрирующие формы приведенных выше уравнений.

Тогда полный набор уравнений Максвелла таков:

∇ ⋅ B = 0, ∇ ⋅ E = ρ ε 0, ∇ × B = μ 0 J + μ 0 ε 0 ∂ E ∂ t, ∇ × E знак равно - ∂ B ∂ T, {\ Displaystyle {\ begin {align} \ nabla \ cdot \ mathbf {B} = 0, \\\ nabla \ cdot \ mathbf {E} = {\ frac {\ rho} {\ varepsilon _ {0}}}, \\\ nabla \ times \ mathbf {B} = \ mu _ {0} \ mathbf {J} + \ mu _ {0} \ varepsilon _ {0} {\ frac {\ partial \ mathbf {E}} {\ partial t}}, \\\ nabla \ times \ mathbf {E} = - {\ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ partial t}}, \ end {align}}}{\ displaystyle {\ begin {align} \ nabla \ cdot \ mathbf {B} = 0, \\\ nabla \ cdot \ mathbf {E} = {\ frac {\ rho} {\ varepsilon _ {0}}}, \\\ nabla \ times \ mathbf {B} = \ mu _ {0} \ mathbf {J} + \ mu _ {0} \ varepsilon _ {0} {\ frac {\ partial \ math bf {E}} {\ partial t}}, \\\ nabla \ times \ mathbf {E} = - {\ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ partial t}}, \ end {выровнено}}

где J = полная микроскопическая плотность тока, а ρ - плотность заряда.

Как обсуждалось выше, материалы реагируют на приложенное электрическое поле E и приложенное магнитное поле B, создавая свой собственный внутренний «связанный» заряд и распределение тока, которые вносят вклад до E и B, но их трудно вычислить. Чтобы обойти эту проблему, поля H и D использовать для повторного факторизации уравнений Максвелла с точки зрения плотности свободного тока Jfи плотности свободного заряда ρ f:

∇ ⋅ B = 0, ∇ ⋅ D = ρ f, ∇ × H = J f + ∂ D ∂ t, ∇ × E = - ∂ B ∂ t. {\ Displaystyle {\ begin {align} \ nabla \ cdot \ mathbf {B} = 0, \\\ nabla \ cdot \ mathbf {D} = \ rho _ {\ mathrm {f}}, \\\ nabla \ times \ mathbf {H} = \ mathbf {J} _ {\ mathrm {f}} + {\ frac {\ partial \ mathbf {D}} {\ partial t}}, \\\ nabla \ times \ mathbf {E} = - {\ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ partial t}}. \ End {align}}}{\ displaystyle {\ begin {align} \ nabla \ cdot \ mathbf {B} = 0, \\\ nabla \ cdot \ mathbf {D} = \ rho _ {\ mathrm {f} }, \\\ nabla \ times \ mathbf {H} = \ mathbf {J} _ {\ mathrm {f}} + {\ frac {\ partial \ mathbf {D}} {\ partial t}}, \\ \ nabla \ times \ mathbf {E} = - {\ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ partial t}}. \ end {align}}}

Эти уравнения не более общие, чем исходные уравнения (если "связаны« заряды и токи в материале известны »). Они также должны быть дополнены использованием между B и H, а также между E и D . С другой стороны, для простых между этими величинами такая форма формул Максвелла может обойтись без необходимости вычислять связанные заряды и токи.

Электрические и магнитные поля: разные аспекты одного и того же явления

Согласно специальной теории относительности, разделение электромагнитной силы на отдельные электрические и магнитные компоненты не являются Основные, но изменяются в зависимости от системы отсчета наблюдения : электрическая сила, воспринимаемая одним наблюдателем, может восприниматься другими (в другой системе отсчета), как магнитная сила, или смесь электрических и магнитных сил.

Формально специальная теория относительности объединяет электр ическое и магнитное поля в тензор ранга, называемый электромагнитным тензором. Изменение опорных кадров смешивает эти компоненты. Это аналог той же теории относительности, пространственно-временем, массой, импульсом и энергией - с четырехимпульсным.

векторным магнитным потенциалом

. такие темы, как квантовая механика и относительность, часто легче работать с потенциальной формулировкой электродинамики, чем с терминами электрических и магнитных полей. В этом отношении

B = ∇ × A, E = - φ - ∂ A ∂ т., Электрический скалярный потенциал Aи электрический скалярный потенциал. {\ displaystyle {\ begin {align} \ mathbf {B} = \ nabla \ times \ mathbf {A}, \\\ mathbf {E} = - \ nabla \ varphi - {\ frac {\ partial \ mathbf { A}} {\ partial t}}. \ End {align}}}{\ displaystyle {\ begin {align} \ mathbf {B} = \ nabla \ times \ mathbf {A}, \\\ mathbf {E} = - \ nabla \ varphi - {\ frac {\ partial \ mathbf {A}} {\ partial t}}. \ end {align}}}

Векторный потенциал A можно интерпретировать как обобщенный потенциал импульс на единицу заряда точно так же, как φ интерпретируется как обобщенная потенциальная энергия на единицу заряда.

Уравнения Максвелла, выраженные в терминах потенциалов, могут быть преобразованы в форму, которая согласуется с специальной теорией относительности без особых усилий. В теории относительности A вместе с φ образует четырехмерный потенциал, аналогичный четырехимпульсу, который объединяет импульс и частицы частицы. Использование четырехпотенциала вместо электромагнитного тензора имеет то преимущество, что намного проще - и его можно легко модифицировать для работы с квантовой механикой.

Квантовая электродинамика

В современной физике под электромагнитным полем понимается не классическое поле, а скорее квантовое поле. ; он представлен не как вектор из трех чисел в каждой точке, а как вектор из трех квантовых операторов в каждой точке. Наиболее точное современное описание электромагнитного взаимодействия (и многого другого) - это квантовая электродинамика (КЭД), которая включена в более полную теорию, известную как Стандартная модель физики элементарных частиц.

В QED величина электромагнитных взаимодействий между заряженными частицами (и их античастицами ) вычисляется с использованием теории возмущений. Эти довольно сложные формулы дают замечательное графическое представление в виде диаграмм Фейнмана, в которых обмен виртуальными фотонами.

Предсказания QED согласуются с экспериментами с чрезвычайно высокой степенью точности: в настоящее время около 10 (и ограничено экспериментальными ошибками); подробнее см. прецизионные тесты QED. Это делает КЭД одной из наиболее точных физических теорий, построенных на данный момент.

Все уравнения в этой статье находятся в классическом приближении, которое менее точно, чем квантовое описание, упомянутое здесь. Однако в большинстве повседневных обстоятельств разница между двумя теориями незначительна.

Использование и примеры

Магнитное поле Земли

Эскиз магнитного поля Земли, представляющий источник поля в виде магнита. Южный полюс магнитного поля находится рядом с географическим северным полюсом Земли.

Магнитное поле Земли создается конвекцией сплава жидкого железа во внешнем ядре. В динамо-процессе движения запускают процесс обратной связи, в котором электрические токи создают электрические и магнитные поля, которые, в свою очередь, действуют на токи.

Поле на поверхности Земли приблизительно равно так же, как если бы гигантский стержневой магнит был расположен в центре Земли и наклонен под углом примерно 11 ° к оси вращения Земли (см. рисунок). Северный полюс стрелки магнитного компаса указывает примерно на север, к Северному магнитному полюсу. Однако, поскольку магнитный полюс притягивается к своей противоположности, Северный магнитный полюс на самом деле является южным полюсом геомагнитного поля. Эта путаница в терминологии возникает из-за того, что полюс магнита определяется географическим направлением, на которое он указывает.

Магнитное поле Земли непостоянно - сила поля и расположение его полюсов различаются. Более того, полюса периодически меняют свою ориентацию в процессе, называемом геомагнитным обращением. последний поворот произошел 780 000 лет назад.

Вращающееся магнитное поле

Вращающееся магнитное поле является ключевым принципом в работе двигателей переменного тока. Постоянный магнит в таком поле вращается, чтобы поддерживать свое выравнивание с внешним полем. Этот эффект был концептуализирован Никола Тесла, а затем использован в первых электродвигателях переменного тока (переменного тока ) его и других.

Магнитный момент используется для привода электродвигателей. В одной простой конструкции двигателя магнит прикреплен к свободно вращающемуся валу и подвергается воздействию магнитного поля от набора электромагнитов. Путем непрерывного переключения электрического тока через каждый из электромагнитов, изменяя полярность их магнитных полей, подобные полюса сохраняются рядом с ротором; результирующий крутящий момент передается на вал.

Вращающееся магнитное поле может быть создано с использованием двух ортогональных катушек с разностью фаз в 90 градусов их переменного тока. Однако на практике такая система будет питаться по трехпроводной схеме с неравными токами.

Это неравенство может вызвать серьезные проблемы при стандартизации сечения проводника, поэтому для его преодоления используются трехфазные системы, в которых три тока равны по величине и имеют фазу 120 градусов. разница. В этом случае вращающееся магнитное поле создают три одинаковые катушки, имеющие взаимный геометрический угол 120 градусов. Способность трехфазной системы создавать вращающееся поле, используемое в электродвигателях, является одной из основных причин, по которым трехфазные системы доминируют в мировых системах электроснабжения.

Синхронные двигатели используют обмотки ротора, питаемые постоянным напряжением, что позволяет управлять возбуждением машины, а в асинхронных двигателях используются короткозамкнутые роторы (вместо магнит) вслед за вращающимся магнитным полем многослойного статора . Короткозамкнутые витки ротора создают вихревые токи во вращающемся поле статора, и эти токи, в свою очередь, перемещают ротор под действием силы Лоренца.

В 1882 году Никола Тесла определил концепцию вращающегося магнитного поля. В 1885 году Галилео Феррарис независимо исследовал эту концепцию. В 1888 году Tesla приобрела США. Патент 381,968 на его работу. Также в 1888 году Феррарис опубликовал свое исследование в статье для Королевской академии наук в Турине.

Эффект Холла

Носители заряда проводника с током, помещенного в поперечное магнитное поле, испытывают сбоку сила Лоренца; это приводит к разделению зарядов в направлении, перпендикулярном току и магнитному полю. Результирующее напряжение в этом направлении пропорционально приложенному магнитному полю. Это известно как эффект Холла.

Эффект Холла часто используется для измерения величины магнитного поля. Он также используется для определения знака доминирующих носителей заряда в таких материалах, как полупроводники (отрицательные электроны или положительные дырки).

Магнитные цепи

Важное применение H - в магнитных цепях, где B = μ H внутри линейного материала. Здесь μ - магнитная проницаемость материала. Этот результат аналогичен по форме закону Ома J= σ E, где J - плотность тока, σ - проводимость и E - электрическое поле. Продолжая эту аналогию, аналог макроскопического закона Ома (I = V⁄R):

Φ = FR m, {\ displaystyle \ Phi = {\ frac {F} {R}} _ {\ mathrm {m }},}\ Phi = \ frac F R_ \ mathrm {m},

где Φ = ∫ B ⋅ d A {\ displaystyle \ Phi = \ int \ mathbf {B} \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {A}}\ Phi = \ int \ mathbf {B} \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {A} - магнитный поток в цепи, F = ∫ H ⋅ d ℓ {\ displaystyle F = \ int \ mathbf {H} \ cdot \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}}}F = \ int \ mathbf {H} \ cdot \ mathrm {d} \ boldsymbol {\ ell} - это магнитодвижущая сила, приложенная к схеме, а R м - сопротивление схемы. Здесь магнитное сопротивление R m представляет собой аналогичную по своей природе сопротивлению для магнитного потока.

Используя этот аналогию, легко вычислить магнитный поток сложной геометрии магнитного поля, используя все доступные методы теории цепей.

Описание формы магнитного поля

Схема квадруполя магнит («четырехполюсный ») Магнитное поле. Есть четыре стальных полюса, два противоположных магнитных северных полюса и два противоположных магнитных южных полюса.
  • Азимутальное магнитное поле - это поле, которое движется с востока на запад.
  • Меридиональное магнитное поле - это то, которое движется к северу– юг. В модели солнечного динамо Солнца, дифференциальное вращение солнечной плазмы заставляет меридиональное магнитное поле растягиваться в азимутальное магнитное поле, процесс, называемый омега-эффектом. Обратный процесс называется альфа-эффектом.
  • A дипольное магнитное поле - это поле наблюдаемое вокруг стержневого магнита или заряженной элементарной частицы с ненулевым спином..
  • A квадрупольное магнитное поле наблюдается, например, между полюсами четырех стержневых магнитов. Напряженность поля линейно растет с радиальным расстоянием от продольной оси.
  • Соленоидальное магнитное поле аналогично дипольному магнитному полю, за исключением того, что сплошной стержневой магнит заменен полым магнитом с электромагнитной катушкой.
  • Тороидальное магнитное поле возникает в кольцевой катушке, возникает, например, в токамаке .
  • Полоидальное магнитное поле создается ток, протекающий по кольцу, встречается, например, в токамаке .
  • . Радиальное магнитное поле - это поле, в котором силовые линии движения от центра наружу, вызывает спицам в велосипедном колесе. Пример можно найти в громкоговорителе преобразователях (драйвере).
  • Спиральное магнитное поле имеет форму штопора и иногда встречается в космической плазме, такой как Молекулярное облако Ориона.

История

Один из первых рисунков магнитного поля, выполненный Рене Декартом, 1644 г., на котором Земля притягивает магниты. Это проиллюстрировано его теорию о том, что магнетизм вызван циркуляцией крошечных спиральных частиц, «частей с резьбой», через резьбовые поры в магнитах.

Ранние разработки

В то время как магниты и некоторые свойства магнетизма были известны древним обществам, исследование магнитных полей началось в 1269 году, когда французский ученый Петрус Перегринус де Марикур нанес на карту магнитное поле на поверхности сферического магнита с помощью железных игл. Отметьте, что линии поля пересекаются в двух точках, он назвал эти точки «полюсами» по аналогии с полюсами Земли. Он также сформулировал принцип, согласно которому, как тонко их разрезают, так и южный полюс, независимо от того, насколько тонко их разрезают.

Почти три века спустя, Уильям Гилберт из Колчестера повторил работу Петруса Перегринуса и первым прямо заявлено, что Земля - ​​это магнит. Опубликованная в 1600 году работа Гилберта Де Магнете помогла утвердить магнетизм как науку.

Развитие математики

Ганс Кристиан Эрстед, Der Geist in der Natur, 1854

В 1750 году Джон Мичелл заявлено, что магнитные полюса притягиваются и отталкиваются в соответствии с закон обратных квадратов Шарль-Огюстен де Кулон экспериментально подтвердил это в 1785 году и прямо заявлено, что северный и южный полюса не могут быть разделены. Основываясь на этой силе между полюсами, Симеон Дени Пуассон (1781–1840) создал первую успешную модель магнитного поля, которую он представил в 1824 году. В этой модели магнитное поле H -поле создается магнитными полюсами, а магнетизм обусловлен небольшими парами северных и южных магнитных полюсов.

Три открытия 1820 года поставили под сомнение эти основы магнетизма. Ганс Кристиан Эрстед показал, что токоведущий провод окружен круговым магнитным полем. Затем Андре-Мари Ампер показывает, что параллельные провода с токами притягиваются друг к другу, если токи идут в одном направлении, и отталкиваются, если они в противоположных направлениях. Наконец, Жан-Батист Био и Феликс Савар объявили эмпирические результаты о силах, которые длинный прямой провод с током действует на небольшой магнит, определяя, что силы были обратно пропорциональны силе перпендикулярное расстояние от провода до магнита. Лаплас позже вывел закон силы, основанный на дифференциальном действии дифференциального участка провода, который стал известен как закон Био-Савара, так как Лаплас не публиковал свои открытия.

Расширяя эти эксперименты, Ампер опубликовал свою успешную модель магнетизма в 1825 году. В ней он показывает эквивалентность электрических токов магнитам и предположил, что магнетизм возникает из-за вечного протекающие петли тока вместо диполей магнитного заряда в модели Пуассона. Кроме того, Ампер вывел как закон Ампера, описывающий силу между двумя токами, так и закон Ампера, который, как и закон Био-Савара, правильно находится магнитное поле, создаваемое постоянным током. Также в этой работе Ампер ввел термин электродинамика для описания взаимосвязи между электричеством и магнетизмом.

В 1831 году Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию, когда он обнаружил, что изменяющееся магнитное поле генерирует окружающее электрическое поле, сформулировав то, что теперь известно как закон индукции Фарадея. Позже Франц Эрнст Нойман доказал, что для движущегося проводника в магнитном поле индукция следствия закона силы Ампера. В процессе он ввел магнитный потенциал, который, как позже, был показан, эквивалентен основному механизму, предложенному Фарадеем.

В 1850 году лорд Кельвин, тогда известный как Уильям Томсон, различие между двумя магнитными полями, теперь обозначенными H и B . Первая применима к модели Пуассона, а вторая - к модели Ампера и индукции. Кроме того, он пробел, как H и B связаны друг с другом, и ввел термин проницаемость.

Между 1861 и 1865 годами Джеймс Клерк Максвелл разработал и опубликовал уравнения Максвелла, которые объяснили и объединили все классическое электричество и магнетизм. Первая система этих уравнений была опубликована в статье, озаглавленной в 1861 году. Эти уравнения были действительными, но неполными. Максвелл завершил свою систему уравнений в своей более поздней статье 1865 года Динамическая теория электромагнитного поля и предположал тот факт, что свет - это электромагнитная волна. Генрих Герц опубликовал в 1887 и 1888 годах статьи, экспериментально подтвердившие этот факт.

Современные разработки

В 1887 году Тесла разработал асинхронный двигатель, который работал на переменный ток (AC). В двигателе использовался многофазный ток, который генерировал вращающееся магнитное поле для вращения двигателя (принцип, который, как утверждал Тесла, был задуман в 1882 году). Тесла получил патент на свой электродвигатель в мае 1888 года как U.S. Патент 381968. В 1885 году Галилео Феррарис независимо исследовал вращающиеся магнитные поля и впоследствии опубликовал свое исследование в статье для Королевской академии наук в Турине, всего за два месяца до того, как Тесла получил свой патент, в Март 1888 г.

ХХ век показал, что классическая электродинамика уже согласована со специальной теорией относительности, и расширил классическую электродинамику для работы с квантовой механикой. Альберт Эйнштейн в своей статье 1905 года, в которой была установлена ​​теория относительности, показал, что и электрическое, и магнитное поля являются частью одного и того же явления, наблюдаемого из разных систем отсчета. Наконец, возникающая область квантовой механики была объединена с электродинамикой, чтобы сформировать квантовую электродинамику (QED), которая впервые формализовала представление о том, что энергия электромагнитного поля квантуется в форме фотонов.

По состоянию на октябрь 2018 года максимальное магнитное поле, создаваемое в макроскопическом объеме за пределами лаборатории, составляет 2,8 кТ (ВНИИЭФ в Сарове, Россия, 1998). По состоянию на октябрь 2018 года максимальное магнитное поле, создаваемое в лаборатории в макроскопическом объеме, составляло 1,2 кТл исследователями из Университета Токио в 2018 году. Самые большие магнитные поля, создаваемые в лаборатории, возникают в ускорителях частиц, таких как как RHIC, внутри столкновений тяжелых ионов, где микроскопические поля достигают 10 Тл. Магнетары обладают самыми сильными известными магнитными полями среди любых естественных объектов, в диапазоне от 0,1 до 100 ГТ (10 до 10 Тл). По состоянию на октябрь 2006 года достигнута высшая точность измерения магнитного поля с помощью датчика силы тяжести B при 5 ат (5 × 10 Тл).

См. также

Общие

Математика

Приложения

Примечания

  1. ^Буквы B и H были выбраны Максвеллом в его Трактате об электричестве и магнетизме 346>(т. II, стр. 236–237). Для многих количеств он просто начал выбирать буквы с начала алфавита. См. Ральф Байерлейн (2000). «Ответ на вопрос №73. S - энтропия, Q - заряд ». Американский журнал физики. 68 (8): 691. Bibcode : 2000AmJPh..68..691B. doi : 10.1119 / 1.19524.
  2. ^Эдвард Перселл, в книге «Электричество и магнетизм», McGraw-Hill, 1963, пишет: «Даже некоторые современные писатели, трактующие B как первичное поле чувствует обязанным называть его магнитной индукцией, потому что название магнитное поле исторически вытеснялось H . Это кажется неуклюжим и педантичным. Если вы пойдете в лабораторию и спросите физика, почему траектории пионов в его пузырьковой камере искривляются, он, вероятно, ответит «магнитное поле», а не «магнитная индукция». Вы редко услышите, как геофизик говорит на магнитной индукции Земли, а астрофизик говорит о магнитной индукции галактики. Мы предлагаем и далее называть B магнитным полем. Что касается H, хотя для него были придуманы другие названия, мы будем называть его «поле H » или даже «магнитное поле H ». В том же духе М. Герлох (1983). Магнетизм и анализ лиганд-поля. Издательство Кембриджского университета. п. 110. ISBN 978-0-521-24939-3.говорит: «Таким образом, мы можем рассматривать и B, и H как магнитные поля, но отбросьте слово «магнитный» из H, чтобы сохранить различие... Как указывает Перселл, «проблемы только имена, не символы» ».
  3. ^ΦB(магнитный поток ) измеряется в веберах (символ: Wb), так что плотность потока 1 Вт / м составляет 1 тесла. Единица измерения тесла в системе СИ эквивалентна (ньютон · секунда ) / (кулон · метр ). Это видно из магнитной части закона силы Лоренца.
  4. ^Использование железных опилок для отображения поля представляет собой что-то вроде исключения из этой картины; опилки изменяют магнитное поле так, что оно намного больше вдоль «линий» железа из-за большой проницаемости железа по отношению к воздуху.
  5. ^Здесь «маленький» означает, что наблюдатель находится достаточно далеко от магнита, так что магнит можно считать бесконечно малым. «Большие» магниты включают сложные термины в выражении и зависят от всей геометрии магнита, а не только m.
  6. ^В двух экспериментах получены события-кандидаты, которые использовались как монополи, но теперь считаются неубедительными. Для получения подробной информации и ссылок см. магнитный монополь.
  7. ^Линии магнитного поля также могут закручиваться вокруг без замыкания, но также и без окончания.
  8. ^Чтобы убедиться в этом, представьте себе, что компас помещен внутрь магнита. Здесь северный полюс компаса указывает на северный полюс магнита, поскольку магниты, наложенные друг на друга, указывают в одном направлении.
  9. ^Как обсуждалось выше, силовые линии магнитного поля - это прежде всего концептуальный инструмент, используемый для представления математики, лежащей в основе магнитных полей. Общее «количество» линий поля зависит от того, как нарисованы линии поля. На практике используются интегральные модели вместо приведенного в основном тексте.
  10. ^Для магнитного поля вне магнита можно использовать либо B, либо H .
  11. ^На практике закон Био - Савара и законы магнитостатики используются часто даже при изменении тока во времени, если он не меняется быстро. Он часто используется, например, для стандартных бытовых токов, которые колеблются шестьдесят раз в секунду.
  12. ^Закон Био - Савара устанавливает ограничение ограничения. Это также зависит от расхождения B, равного нулю, что всегда верно. (Нет магнитных зарядов.)
  13. ^Третий член нужен для электрических полей и токов поляризации; этот член тока с рассмотрением в уравнении Максвелла ниже.
  14. ^Полное выражение закона индукции Фарадея в терминах электрического E и магнитного поля можно записать так: E = - d Φ / dt {\ displaystyle \ textstyle {\ mathcal {E}} = - d \ Phi / dt}{\ displaystyle \ textstyle {\ mathcal {E}} = - d \ Phi / dt} = ∮ ∂ Σ (t) (E (r, t) + v × B (r, t)) ⋅ d ℓ {\ displaystyle \ textstyle = \ oint _ {\ partial \ Sigma ( t)} \ left (\ mathbf {E} (\ mathbf {r}, \ t) + \ mathbf {v \ times B} (\ mathbf {r}, \ t) \ right) \ cdot d {\ boldsymbol { \ ell}} \}\ textstyle = \ oint _ {\ partial \ Sigma (t)} \ left ( \ mathbf {E} (\ mathbf {r}, \ t) + \ mathbf {v \ times B} (\ mathbf {r}, \ t) \ right) \ cdot d \ boldsymbol {\ ell} \ = - ddt ∬ Σ (t) d A ⋅ B (r, t), {\ displaystyle \ textstyle = - {\ frac {d} {dt}} \ iint _ {\ Sigma (t)} d {\ boldsymbol {A}} \ cdot \ mathbf {B} (\ mathbf {r}, \ t),}\ textstyle = - \ frac {d} {dt} \ iint _ {\ Sigma (t)} d \ boldsymbol {A} \ cdot \ mathbf {B} (\ mathbf {r}, \ t), где ∂Σ (t) - это движущийся замкнутый путь, ограничивающий движущуюся поверхность Σ (t), а d A - это элемент площади поверхности Σ (t). Первый интеграл вычисляет работу, совершенную при перемещении заряда на расстояние d ℓ на основе закона силы Лоренца. В случае, когда ограничивающая поверхность является стационарной, можно использовать теорему Кельвина - Стокса, чтобы показать, что это уравнение эквивалентно уравнению Максвелла - Фарадея.
  15. ^Его Epistola Petri Peregrini de Maricourt ad Sygerum de Foucaucourt Militem de Magnete, который часто сокращается до Epistola de magnete, датируется 1269 г. что, когда токоведущий провод помещается под прямым углом к ​​компасу, ничего не происходит. Однако, когда он попытался сориентировать проводку стрелке компаса, стрелка компаса сильно отклонилась. Поместив компас по разные стороны провода.
  16. ^Снаружи поле диполя магнитного заряда имеет точно такую ​​же форму, как и токовая петля, когда оба достаточно малы. Таким образом, эти две модели отличаются только магнетизмом внутри магнитного материала.

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-29 11:58:56
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте