Магнітнае поле

Магні́тнае поле — складовая электрамагнітнага поля, якая зьяўляецца пры наяўнасьці зьменлівага ў часе электрычнага поля. Акрамя таго, магнітнае поле можа стварацца токам зараджаных часьцінкаў, альбо магнітнымі момантамі электронаў у атамах (сталыя магніты). З пункту гледжаньня квантавай тэорыі поля электрамагнітнае ўзаемадзеяньне пераносіцца бязмасавым базон-фатонам (часьцінкай, якую можна ўявіць як квантавае ўзбуджэньне электрамагнітнага поля). Асноўнай характарыстыкай магнітнага поля зьяўляецца ягоная сіла, якая вызначаецца вэктарам магнітнай індукцыі ${\displaystyle {\vec {\mathbf {B} }}}$ (вэктар індукцыі магнітнага поля). У СІ магнітная індукцыя вымяраецца ў тэслах (Тл), у сыстэме СГС у гаўсах. Эфэкты магнітных палёў звычайна выяўляюцца ў сталых магнітах, якія цягнуць да сябе магнітныя матэрыялы, як то жалеза, і прыцягваюць альбо адштурхоўваюць іншыя магніты.

Клясычная электрадынаміка

Электрычнасьць · Магнэтызм Электрастатыка Закон Кулёна Прынцып супэрпазыцыі Тэарэма Гаўса Эквіпатэнцыйная паверхня Электрычны дыпольны момант Электрычны зарад Электрычная індукцыя Электрычнае поле Электрастатычны патэнцыял Магнітастатыка Закон Бія — Савара — Лапласа Закон Ампэра Магнітны момант Магнітнае поле Магнітны струмень Электрадынаміка Дыполь Сіла Лёрэнца Ток зруху Уніпалярная індукцыя Раўнаньні Максўэла Электрычны ток Электрарухальная сіла Электрамагнітная індукцыя Электрамагнітнае выпраменьваньне Электрамагнітнае поле Электрычны ланцуг Закон Ома Законы Кірхгофа Індуктыўнасьць Радыёхвалявод Рэзанатар Электрычная ёмістасьць Электрычная праводнасьць Супор Электрычны імпэданс Вядомыя навукоўцы Гэнры Кавэндыш Майкл Фарадэй Андрэ-Мары Ампэр Густаў Робэрт Кірхгоф Джэймз Кларк Максўэл Гэнры Рудольф Гэрц Альбэрт Абрахам Майкэльсан Робэрт Эндрус Мілікэн

прагляд абмеркаваньне рэдагаваць

У спэцыяльнай тэорыі рэлятыўнасьці, электрычныя і магнітныя палі зьяўляюцца двума ўзаемазьвязанымі аспэктамі аднаго аб’екту, званага электрамагнітным тэнзарам. Разбурэньне гэтага тэнзару ў электрычных і магнітных палёх залежыць ад адноснай хуткасьці назіральніка і зараду. Магнітныя і электрычныя палі ўзаемазьвязаны і зьяўляюцца кампанэнтамі электрамагнітнай сілы, адной з чатырох асноўных сілаў у прыродзе.

У паўсядзёньным жыцьці, магнітныя палі часьцей за ўсё сустракаюцца як нябачная сіла, створаная сталымі магнітамі, якія ўзаемадзейнічаюць з фэрамагнітнымі матэрыяламі, як то жалеза, кобальт або нікель. Магнітныя палі вельмі шырока выкарыстоўваюцца ва ўсіх сучасных тэхналёгіях, у прыватнасьці, у галіне электратэхнікі і электрамэханікі. Крутоўныя магнітныя палі выкарыстоўваюцца як у электрарухавіках, гэтак і ў генэратарах. Узаемадзеяньне магнітных палёў у электрычных прыладах, такіх як трансфарматары, маецца ў магнітных ланцугах. Магнітныя сілы даюць інфармацыю пра носьбіты зараду ў матэрыяле дзякуючы эфэкту Гола. Зямля вырабляе ўласнае магнітнае поле, якое ахоўвае азонавы пляст Зямлі ад сонечнага ветру і мае важнае значэньне ў навігацыі па компасу.

Фармаваньне магнітнага поля

Сталыя магніты

У адрозьненьне ад электрычных зарадаў, магнітныя зарады, якія стварылі б магнітнае поле падобным чынам, не назіраюцца. Тэарэтычна такія зарады, званыя магнітнымі манаполямі, маглі бы існаваць. У гэтым выпадку электрычнае і магнітнае палі былі б цалкам сымэтрычнымі.

Самай маленькай адзінкай, якая можа згенэраваць магнітнае поле, зьяўляецца магнітны дыполь. Магнітны дыполь адрозьніваецца тым, што ў яго заўсёды ёсьць два полюсы, у якіх сілавыя лініі поля пачынаюцца і заканчваюцца. Мікраскапічныя магнітныя дыполі злучаны са сьпінамі элемэнтарных часьцінак. Часьцінкі зь ненулявым сьпінам, як то пратоны, нэўтроны і электроны, ёсьць элемэнтарнымі магнітамі. Велічыня магнетызму дыполю можа быць выражаная магнітным дыпольным момантам, які звычайна называюць магнітным момантам і абазначаюць літарай ${\displaystyle \mathbf {m} }$. Магнітны момант макраскапічнага кавалачку матэрыі можна вылічыць як вэктарную суму магнітных момантаў ягоных атамаў. Звычайна моманты асобных атамаў накіроўваюцца выпадковым чынам і таму кампэнсуюць адзін аднаго, а агульны магнітны момант рэчыва роўны нулю. Аднак некаторыя рэчывы, асабліва фэрамагнетыкі, як правіла, упарадкаваны станамі, у якіх магнітныя моманты ўсіх атамаў рэчывы пачынаюць накіроўвацца ў адзін бок. Існуе дзьве мадэлі, якія апісваюць магнітнае поле элемэнтарных магнітных дыполяў — мадэля Гілбэрта і мадэля Ампэра. Для апісаньняў палёў гэтыя мадэлі выкарыстоўваюць два розныя значэньні, ${\displaystyle \mathbf {H} }$ і ${\displaystyle \mathbf {B} }$. Па-за магнітам яны аднолькавыя, але ў межах магніту іхныя значэнні перастаюць супадаць.

Мадэля Гілбэрта і H-поле

Магнітнае поле Н, створанае двума магнітнымі зарадамі.

У гэтай мадэлі дыполь разглядаецца як два магнітныя зарады, і поле, якое яны ствараюць, падобнае на поле электрычнага дыполю, то бок ягоныя лініі пачынаюцца на поўначы, а заканчваюцца на поўдні безь бясконцасьці, гэтак жа, як лініі электрычнага поля пачынаюцца з дадатнамга зараду і сканчаюцца адмоўным. Таксама паводле аналёгіі магнітны момант такога дыполя роўны ${\displaystyle \mathbf {m} =\mathbf {q_{m}} \mathbf {d} }$, дзе q_m — магнітныя зарады, d — адлегласьць паміж імі.

Мадэля Гілбэрта мяркуе слушныя значэньні напружанасьці магнітнага поля як унутры, гэтак і звонку магніту, у тым ліку той факт, што ягоны кірунак процілеглы кірунку вэктара намагнічанасьці. Аднак мадэля полюсу мае абмежаваньні ў сувязі з тым, што яна рэальна абапіраецца на панятак шчыльнасьці магнітнага зараду. Такім чынам, гэта ня можа растлумачыць той факт, што палюсы магніту ня могуць быць аддзелены адзін ад аднаго, а таксама магнітныя ўласьцівасьці рухомых электрычных зарадаў.

Мадэля Ампэра і B-поле

Магнітнае поле B, створанае контурам па якому праходзіць электрычны ток.

У гэтае мадэлі дыполь разглядаецца як невялікі замкнёны контур, празь які бесьперапынна праходзіць ток^[1]. У такой мадэлі поле, якое ён стварае, будзе соленоідавым, гэта значыць, што ягоныя сілавыя лініі ня маюць ані пачатку, ані канца, але будуць скручаны па контуры, праходзячы празь ягоную сэрцавіну. Магнітны момант такога дыполю будзе складаць ${\displaystyle \mathbf {m} =\mathrm {I} \mathbf {S} }$, дзе I — ток у контуры, а S — ягоная плошча перасеку. Вось такога магніту будзе пэрпэндыкулярная да контуру. Важным адметнасьцю поля В зьяўляецца тое, што ў адрозьненьне ад Н-поля, лініі якога заўсёды накіраваны ад аднаго полюса да іншага, ягоныя лініі ўнутры магніту маюць зваротны кірунак.

Падводзячы вынік і фармалізацыю, можна сказаць, што калі сілавая лінія В-поля трапляе ў пэўную вобласьць прасторы, то яна заўсёды пазьней сыходзіць зь яе, г. зн.

${\displaystyle \oint _{S}\mathbf {B} \cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =0,}$

дзе інтэграл вылічваецца па зачыненай паверхні S, а здабытак B·dA станоўчы, калі лінія ўваходзіць у паверхню, і адмоўны, калі ён пакідае яго.

Па сутнасьці, сучасная мадэля бліжэй да ісьціны. Для многіх часьцінак, напрыклад, для пераходных мэталаў ці двухатамных малекулаў, галоўны ўнёсак у магнітны момант робіць арбітальны момант электрону^[2]. Аднак іншая крыніца, то бок момант, якая ўзьнікае праз раскручваньне электронаў і ядраў, не тлумачыцца такой мадэльлю, бо сьпін зьяўляецца выключна квантавай зьявай і ня мае блізкіх аналягаў у сьвеце.

Электрычныя зарады

Адзіны зарад, рухаючыся раўнамерна і прама, стварае вакол сябе магнітнае поле, лініі якога зачыненыя і скручаныя вакол восі, якая супадае з кірункам руху зараду. Ягоная велічыня можа быць запісана наступныым чынам : ${\displaystyle \mathbf {B} =\mathbf {E} \cdot \mathrm {v} }$^[3]. Як можна зразумець з рэлятывісцкіх меркаваньняў, велічыня поля будзе залежыць ад сыстэмы адліку назіральніка, які рухаецца з той жа хуткасьцю і ў тым жа кірунку, што і зарад. Такім чынам, у тэорыі рэлятыўнасьці электрычнае і магнітнае палі зьяўляюцца кампанэнтамі аднаго электрамагнітнага поля.

Паколькі электрычны ток зьяўляецца сукупнасьцю вялікай колькасьці рухомых зарадаў, ён таксама стварае магнітнае поле. Аднак такая сыстэма ня можа стварыць электрычнае поле, таму што яно электрычна нэўтральнае. Значэнне гэтага поля вызначаецца законам Біё—Савара—Ляпляса:

${\displaystyle \mathbf {B} ={\frac {\mu _{0}I}{4\pi }}\int _{\mathrm {wire} }{\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\times \mathbf {\hat {r}} }{r^{2}}},}$

Напрамак поля можна вызначыць правілам Ампэра або правілам правай рукой. Такое поле таксама зьяўляецца віхравым, то бок ягоныя сілавыя лініі ёсьць зачыненымі. Ва ускрайнім выпадку бясконцага прамога правадніку магнітнае поле будзе мець восевую і трансьляцыйную сымэтрыю.

Каб сканцэнтраваць магнітнае поле, контур перарабляюць ў шпульку, утвараючы такім чынам саленоід, у якім унутранае поле ўзмацняецца, а зьнешняе — слабее. Калі ва ўнутар саленоіду зьмясьціць фэрамагнітную сэрцавіну, утворыцца электрамагніт. Для бясконцага саленоіду поле ўнутры яго можа быць запісанае праз формулу:

${\displaystyle B=\mu _{0}nI}$

дзе n — колькасьць віткоў проваду на адзінку даўжыні, I — сілу току ў контуры. Гэтая формула зьяўляецца слушнай і для канечнага саленоіду, калі кропка вымярэньня месьціцца досыць далёка ад ягоных канцоў.

Магнітнае поле таксама ствараецца пераменным электрычным полем. Згодна з законам электрамагнітнае індукцыі, пераменнае магнітнае поле стварае пераменнае электрычнае поле, якое таксама зьяўляецца віхравым. Узаемнае стварэньне электрычнага і магнітнага палёў на зьменнымі магнітным і электрычным палямі прыводзіць да магчымасьці распаўсюджваньня ў прасторы электрамагнітных хваляў.

Крыніцы

1. Юрий Стародубцев (2011). «Магнитомягкие материалы: Энциклопедический словарь-справочник». Москва. Техносфера. — С. 29. ISBN 978-5-94836-259-5.
2. «Магнитный момент». ХиМик.ru.
3. «Поля точечного заряда движущегося с постоянной скоростью». All-fizika.comа.

Вонкавыя спасылкі

• Магнітнае поле. HyperPhysics  (анг.)
• Магнетызм. Тэарытычная фізыка ва Вініпэскім унівэрсытэце  (анг.)