Магнетизм

ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Магнетизм

Магнетизм – особая форма материальных взаимодействий, возникающих между движущимися электрически заряженными частицами. Магнитных масс или количеств магнетизма, как особых субстанций в природе, не существует. Магнитные свойства физических тел обусловлены движением электрических зарядов, в том числе различными электрическими токами (гипотеза Ампера, ставшая теорией). Проиллюстрируем это на примере магнетизма, создаваемого электроном.

Обладающий отрицательным электрическим зарядом электрон в результате вращения по орбите вокруг атомного ядра создаёт орбитальный магнитный момент. Наименьшая величина орбитального магнитного момента, соответствующая движению по первой боровской орбите (n = 1) называется магнетоном Бора:

ђ– постоянная Планка;

μ_B = ђe/2m е– заряд электрона (1.6022·10^-19 Кл);

m – масса электрона (9.1·10^-31 кг).

Электрон вращается также вокруг своей оси и создаёт собственный магнитный момент, называемый спином. Спином обладают все микрочастицы, в том числе положительно заряженные протоны и даже не имеющие электрического заряда нейтроны (спины обусловлены существующим окружением нуклонов-протонов и нейтронов – заряженным π–мезонным облаком. То есть, магнетизм – универсальное явление природы.

Современное учение магнетизма можно разделить на атомный магнетизм (магнетизм изолированных молекул атомов, атомных ядер, отдельных элементарных частиц материи) и на магнетизм вещества или конденсированных систем (магнитное взаимодействие между собой групп атомов и молекул составляющих газообразные, жидкие и твёрдые тела).

Пространство, в котором действуют силы магнетизма, называется магнитным полем.

Между покоящимися электрически заряженными материальными частицами существует гравитационное притяжение и электрическое (точнее, электростатическое) поле в виде сил притяжения и отталкивания. Если происходит взаимное перемещение электрически заряженных частиц, то при неизбежном изменении гравитационных и электрических сил возникает ещё один вид взаимодействия – магнитное поле.

Электрическое и магнитное поля являются частным случаем единого электромагнитного поля (теория Максвелла). Одно из существенных свойств электромагнитного поля заключается в том, что при изменении электрического поля меняется магнитное поле и наоборот. Согласно принципу относительности, раздельное рассмотрение электрического и магнитного полей может быть лишь условным, так как, если электрические заряды или провод с постоянным током неподвижны относительно какой-либо инерциальной системы координат, то относительно других инерциальных систем эти заряды или токи движутся, поэтому в результате их движения будет существовать магнитное поле. Вследствие движения проводника с постоянным током присущее ему магнитное поле будет изменяться в любой точке пространства, что повлечёт за собою возникновение вихревого (т.е. не потенциального) электрического поля. Суммарное электрическое поле будет в этом случае состоять из потенциального, создаваемого зарядами, и вихревого, создаваемого изменяющимся со временем магнитным полем.

Количественной характеристикой силового поля служит его напряженность, которая в каждой точке пространства может быть изображена в виде вектора, характеризующего численное значение напряженности и её направление. Однако исторически сложилось так, что истинная напряженность магнитного поля получила название магнитной индукции В, а наименование напряженности магнитного поля Н закрепилось за другой, производной от индукции величиной.

Магнитная индукция в вакууме может быть определена по закону Био-Савара-Лапласа:

(в векторной форме)

(в модульной форме)

α – угол между dl и r

dB – магнитная индукция, создаваемая элементом dl проводника с током i;

r – радиус-вектор, проведенный из элемента проводника в рассматриваемую точку;

k – коэффициент, зависящий от выбора единиц измерения.

В СИ k = μ_o/4π, где μ_o – магнитная постоянная.

Силовые линии магнитной индукции замкнуты (не имеют ни начала, ни конца).

Единицей магнитной индукции в СИ является Тесла (Тл), размерность кг/(с ²·А). Тл = Вб/м² = В·с/м², Гс=10^-4 Тл.

Если область, в которой действует магнитное поле, заполнить веществом, то на внешнее поле В_о, создаваемое макроскопическими токами, накладывается поле В^', создаваемое намагниченным веществом (его микроскопическими токами). Следовательно, результирующее поле В = В _о+ В ', где В усредненное (макроскопическое) поле. Поле В ' будет зависеть от физических свойств среды, формы и размеров области, заполненной этой средой.

Возникающая намагниченность вещества I характеризуется магнитным моментом единицы объёма. Направление I совпадает с направлением В '.

Единица намагниченности специального наименования не имеет, а её размерность А/м.

Напряженность магнитного поля Н считается вспомогательной величиной и определяется следующим образом:

где I – вектор намагниченности;

μ_о – магнитная постоянная (4π · 10^–7 Гн/м), где Гн/м = В·с/(А·м) = кг·м/(с²А²).

Силовые линии Н разрывны. Они начинаются и кончаются на поверхностях раздела тел с различными магнитными характеристиками. Единица напряженности в СИ названия специального не имеет, а её размерность А/м. В системе СГСМ (см, грамм, сек) измеряется в Эрстедах (Э = (1/4π)10³ А/м) или более дробной единице – гаммах (1γ=10^-5 Э).

Внешние магнитные поля намагниченных тел, а также токов проводимости в условиях вакуума (а практически и в воздушной среде) таковы, что направления В и Н и соответственных силовых линий совпадают. Что касается численных значений В и Н, для указанных условий они различаются в СИ только множителем μ_о. Это следует из формулы (3), так как в вакууме (и приблизительно в воздухе) I =0. В безграничной среде с магнитной проницаемостью μ (безразмерная величина), на которую (среду) воздействует магнитное поле напряженностью Н, суммарная напряженность равна μ_оμ Н и называется магнитной индукцией:

μ_о – магнитная постоянная;

μ – магнитная проницаемость;

μ_а – абсолютная магнитная проницаемость, равна μ_а = μ_оμ.

В вакууме и воздушной среде μ = 1.

Дата добавления: 2015-08-09