Что такое напряженность магнитного поля
Содержание
Вокруг магнитов и проводников с током всегда существует магнитное поле (МП). Для его описания используют две основные характеристики — индукцию и напряженность. Первая характеризует величину МП и зависит от свойств среды. Напряженность, наоборот, не зависит от свойств среды, а только от силы тока и формы проводника.
Что называют напряженностью магнитного поля
В физике напряженность магнитного поля (Н) определяют как разность магнитной индукции (B) и намагниченности (M):
Напряженность — это сила магнитного поля. Ее оценивают, основываясь на плотности силовых линий. То есть, напряженность показывает, сколько силовых линий проходит через единичное поперечное сечение МП. Направление этих линий зависит от направления тока в проводнике и определяется по правилу буравчика.
Произведение напряженности и длины участка силовой линии — это магнитное напряжение.
Магнитное напряжение, присутствующее вдоль какого-либо замкнутого контура, называют магнитодвижущей силой или намагничивающей силой. Единица напряжения магнитного поля — ампер:
Магнитная проницаемость
В вакууме вектор напряженности магнитного поля совпадает с вектором индукции. Если речь идет о других средах, то полезно уточнить, к какому типу они относятся. Выделяют три вида магнетиков:
- ферромагнетики — максимально восприимчивые к магнитному полю вещества;
- диамагнетики — намагничиваются в обратном относительно внешнего поля направлении;
- парамагнетики незначительно намагничиваются в направлении поля.
Связать B с H позволяет специальный коэффициент. Он зависит от выбранной системы единиц. Если использовать СИ, эту зависимость можно выразить в следующей форме:
Из нее можно выделить магнитную постоянную и магнитную восприимчивость. Первая компонента характеризует отличие между векторами в вакууме. Она является скаляром, поэтому на направление вектора напряженности магнитного поля не влияет. Численно она равна:
Магнитная проницаемость в общем виде может представлять собой тензор, что позволяет вычислять поле в неизотропных средах. Когда направление не влияет на характеристики поля, можно обойтись скалярным коэффициентом:
В системе СГС магнитная постоянная не имеет размерности и приравняется 1, поэтому выражение для магнитной проницаемости принимает следующий вид:
В этих уравнениях присутствует магнитная восприимчивость. Она обозначается греческой буквой хи. Размерности у этой величины нет. У парамагнетиков восприимчивость является отрицательной величиной, но по численному показателю она невелика и, как правило, лежит в пределах 10-6 — 10-4. Парамагнетики обладают положительной восприимчивостью, которая также невелика. Интересней дело обстоит с ферромагнетиками. У этой группы веществ она может значительно превышать 1, поэтому их вклад в напряженность магнитных моментов будет значительным.
Уравнения Максвелла
Основой для решения задач, связанных с электромагнитным полем, является система из 4 уравнений, сформулированная еще в середине 19 века. Она показывает, как связаны основные величины, характеризирующие магнитное поле (E, D, B и H).
Описанное выше верно для системы единиц СИ, но для некоторых ситуаций удобнее применять СГС. В этой системе уравнения Максвелла будут выглядеть следующим образом:
Так как размерности и константы отличаются, путать эти две системы не желательно.
Граничные условия для магнитного поля
Поскольку линии индукции магнитного поля неразрывны, то переход из одного вещества в другое на них влиять не должен. Это подтверждает уравнение, связанное с данной характеристикой:
Тогда граничные условия можно записать следующим образом:
Векторы разделяют на тангенциальную и нормальную компоненты. Первая расположена по касательной к границе среды, вторая — перпендикулярно. Чтобы выяснить, как ведет себя тангенциальная составляющая, следует рассмотреть уравнение:
Из него следует:
При отсутствии тока тангенциальная компонента вектора H меняться не будет. Соответственно на границе магнитное поле можно выразить следующим образом:
Характеристики магнитного поля с некоторыми оговорками ведут себя так же, как характеристики электрического поля. В частности граничные условия электрического поля выглядят сходным образом:
Это позволяет говорить об аналогичном поведении векторов напряженности при прохождении границы сред.
Физический смысл напряженности
Для сред неспособных намагничиваться и как-либо влиять на магнитное поле, например вакуум, напряженность (H) от индукции (B) отличается только коэффициентом. Она также показывает, сколько силовых линий приходится на единицу площади.
Физический смысл напряженности магнитного поля виден в средах восприимчивых к этому виду взаимодействия. Рассматривая магнетики, можно обнаружить, что B и H могут отличаться не только по величине, но также и по направлению. В таких случаях напряженность показывает вклад внешних источников в определенной точке. Она позволяет понять, какое поле будет действовать, если магнетик убрать.
В чем измеряется
В физике используют несколько систем для единиц измерения. Самая распространенная называется СИ. В ней семь основных и множество производных обозначений. Вторые всегда можно вывести из первых, если вспомнить связь самих физических величин. В СИ принято обозначение единицы для измерения напряженности магнитного поля ампер на метр:
Еще одна система, которую также нередко используют, называется СГС. Аббревиатура отсылает к наименованию первых трех величин измерения: длины (см), массы (г) и времени (с). В ней приняты отличные от СИ обозначения и постоянные. Это влияет и на формулы. Например, с учетом того, что магнитная постоянная приравнивается 1 и не имеет размерности формула, связывающая В и Н принимает следующий вид:
Единица напряжения магнитного поля в СГС называется эрстед (сокращенно Э). В этой системе, как и в СИ, существует связь между разными наименованиями величин. Для эрстедов ее можно выразить следующим образом:
По сути это совпадает с размерностью магнитной индукции, но последнюю традиционно принято измерять в гауссах. Как зависит эрстед от единицы из СИ, демонстрирует следующее выражение:
Определение напряженности
Для многих задач существуют простые решения на основании формул, выведенных ранее.
Для достаточно длинного провода вычислить напряженность магнитного поля можно с помощью такого уравнения:
Если провод, скрученный в кольцо (единичный виток), то напряженность можно найти, зная силу тока (I) и радиус (R):
Для вычисления напряженности магнитного поля катушки используется такое уравнение:
Чем больше витков у катушки и чем больше сила тока, протекающего по ним, тем сильнее будет магнитное поле.
Загрузка...
