Магнитное поле

На рисунке изображен проводник, вокруг которого существует магнитное поле Магнитные силовые линии, образованные железной стружкой на бумаге, к которому поднесенный магнит Магнитное поле – особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.
Магнитное поле – составляющая электромагнитного поля, которое создается переменным во времени электрическим полем, подвижными электрическими зарядами или спинами заряженных частиц. Магнитное поле вызывает силовое действие на движущиеся электрические заряды. Неподвижные электрические заряды с магнитным полем не взаимодействуют, но элементарные частицы с ненулевым спином, которые имеют собственный магнитный момент, является источником магнитного поля и магнитное поле оказывает на них силовое действие, даже если они находятся в состоянии покоя.
Магнитное поле создается, например, в пространстве вокруг проводника, по которому течет ток или вокруг постоянного магнита.
Магнитное поле является векторным полем, т.е. с каждой точкой пространства связан вектор магнитной индукции характеризующий величину и направление магнитом поля в этой точке и может меняться с течением времени. Наряду с вектором электромагнитной индукции , Магнитное поле также описывается вектором напряженности .
В вакууме эти векторы пропорциональны между собой: , Где k – константа, зависящая от выбора системы единиц. В системе СИ, k = ? 0 – так называемой магнитной проницаемости вакуума. Некоторые системы единиц, например СГСГ, построены так, чтобы векторы индукции и напряженности магнитного поля тождественно равны друг другу: .
Однако в среде эти векторы различны: вектор напряженности учитывает также и влияние среды:



где – Вектор намагниченности среды.
В отличие от электрических зарядов, магнитных зарядов, которые создавали бы магнитное поле аналогичным образом, не наблюдается. Теоретически такие заряды, которые получили название магнитных монополей, могли бы существовать. В таком случае электрическое и магнитное поле были бы полностью симметричными.
Таким образом, наименьшей единицей, которая может создавать магнитное поле, является магнитный диполь. Магнитный диполь отличается тем, что у него всегда есть два полюса, в которых начинаются и кончаются силовые линии поля. Микроскопические магнитные диполи связаны со спином элементарных частиц. Магнитный диполь имеют как заряженные элементарные частицы, например, электроны, так и нейтральные, например, нейтроны. Элементарные частицы с отличным от нуля спином можно представить себе как маленькие магнитики. Обычно частицы с противоположными значениями спинов спариваются, что приводит к компенсации созданных ими магнитных полей, но в отдельных случаях возможно выравнивание спинов многих частиц в одном направлении, что приводит к образованию постоянных магнитов.
Магнитное поле также создается движущимися электрическими зарядами, то есть электрическим током.
Создание электрическим зарядом поле зависит от системы отсчета. Относительно наблюдателя, движущегося с одинаковой с зарядом скоростью, заряд неподвижен, и такой наблюдатель будет фиксировать только созданы им электрическое поле. Другой наблюдатель, движущийся с иной скоростью, фиксировать как электрическое, так и магнитное поле. Таким образом, электрическое и магнитное поля взаимосвязаны, и являются составными частями общего электромагнитного поля.
При протекании электрического тока через проводник он остается электрически нейтральным, однако носители заряда в нем движутся, поэтому вокруг проводника возникает только магнитное поле. Величина этого поля определяется законом Био-Савара, а направление можно определить с помощью правила Ампера или правила правой руки. Такое поле является вихревым, т.е. его силовые линии замкнуты.
Магнитное поле создается также переменным электрическим полем. По закону электромагнитной индукции переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, что также является вихревым. Взаимное создания электрического и магнитного поля переменными магнитным и электрическим полем приводит к возможности распространения в пространстве электромагнитных волн.
Действие магнитного поля на движущиеся заряды определяется силой Лоренца.
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле называется силой Ампера. Силы взаимодействия проводников с током определяются законом Ампера.
Нейтральные вещества без электрического тока могут втягиваться в магнитное поле (парамагнетики) или выталкиваться из него (диамагнетика). Выталкивания диамагнетиков из магнитного поля можно использовать для левитации.
Ферромагнетики намагничиваются в магнитом поле и сохраняют магнитный момент при снятии приложенного поля.
Энергия магнитного поля в пространстве задается формулой

.

Соответственно, плотность энергии магнитного поля равна

.

Во внешнем магнитном поле, которое задается вектором магнитной индукции изменяются значения термодинамических потенциалов термодинамических систем. Так, например, прирост внутренней энергии единичного объема термодинамической системы при изменении величины индукции магнитного поля на равна

,

где S – энтропия, T – температура.
Соответственно, для свободной энергии



Таким образом, напряженность магнитного поля в термодинамической системе определяется через частную производную от свободной энергии при постоянной температуре



Магнитная индукция B измеряется в Тесла в системе СИ, и в Гаусса в системе СГС. Напряженность магнитного поля H измеряется в А / м в системе CI и в Эрстеда в системе СГС.
Магнитное поле измеряется магнитометрами. Механические магнитометры определяют величину поля по отклонению катушки с током. Слабые магнитные поля измеряются магнитометрами на основе эффекта Джозефсона – СКВИД. Магнитное поле можно измерять на основе эффекта ядерного магнитного резонанса, эффекта Холла и другими методами.
Магнитное поле широко используется в технике и для научных целей. Для его создания используются постоянные магниты и электромагниты. Однородное магнитное поле можно получить за помощью катушек Гельмгольца. Для создания мощных магнитных полей, необходимых для работы ускорителей или для удержания плазмы в установках по ядерному синтезу, используются электромагниты на сверхпроводниках.

Что интереснее: традиционная медицина или магнитотерапия? Читай об этом на портале www.lecheba.ru