Напряженность магнитного поля. Закон полного тока

Исторически понятие напряженности магнитного поля построено на формальной аналогии полей неподвижных зарядов и неподвижных намагниченных тел. Такая аналогия оказывается иногда полезной, так как позволяет перенести в теорию магнитного поля методы, разработанные для электростатических полей.

Напряженность магнитного поля первоначально была введена в форме закона Кулона через понятие магнитной массы, аналогичной электрическому заряду, как механическая сила взаимодействия двух точечных магнитных масс в однородной среде, которая пропорциональна произведению этих масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними

где m₁ и m₂ - взаимодействующие магнитные массы; r - расстояние между точками, в которых магнитные массы считаются сосредоточенными; k - коэффициент, зависящий от свойств среды и системы единиц измерения.

Сила f направлена по прямой, соединяющей центры магнитных масс.

Магнитные массы одного знака отталкиваются, а противоположного - притягиваются.

Для количественной характеристики магнитного поля можно воспользоваться механической силой, действующей на положительный полюс пробного магнита, в той точке, где он расположен в пространстве. Историческое определение напряженности в терминах классической физики XIX века формулируется следующим образом:

Напряженность магнитного поля, H - это отношение механической силы, действующей на положительный полюс пробного магнита, к величине его магнитной массы или механическая сила, действующая на положительный полюс пробного магнита единичной массы в данной точке поля. Напряженность изображается вектором H, имеющим направление вектора механической силы f, производимым магнитным полем.

Для представления пространственной формы распределения (поля) H удобно использовать следующий формальный инструмент:

Силовые линии напряженности магнитного поля H - есть воображаемые линии в трехмерном физическом пространстве, направление касательных к которым в каждой точке поля будет совпадать с направлением напряженности H.

В XIX веке было введено понятие о силовой трубке напряженности магнитного поля аналогично тому, как это было сделано для магнитного потока Ф_M. Силовые линии напряженности магнитного поля H, в отличие от линий индукции магнитного поля B, начинаются на положительных магнитных массах и заканчиваются на отрицательных, то есть прерываются на воображаемых полюсах магнитного поля, которых реально не существует. Поэтому модель магнитного поля, основанная на аналогии с электростатическим является дефектной. Она применима лишь в частных "контурных", "полупространственных", цепных моделях, в которых присутствуют, как минимум, два элемента: магнит, производящий поле и имеющий явно выраженные полюса - площадки с преимущественным направлением вектора H либо внутрь магнита, либо наружу, и пассивное (полу)пространство вокруг магнита. При этом от наличия "возвратных" силовых линий внутри магнита абстрагируются, то есть "забывают" для удобства рассуждений. Большим недостатком "кулоновской модели" является то, что она приучает думать о реальности "магнитных масс", которых на самом деле нет в природе.

Современный взгляд на понятие напряженности магнитного поля

Для изотропной среды и постоянного либо медленно меняющегося магнитного поля существует прямо пропорциональная связь между индукцией и напряженностью магнитного поля

Последнее соотношение можно использовать для определения абсолютной магнитной проницаемости μ_a [Hn/m] как отношения индукции к напряженности магнитного поля.

При помещении в магнитное поле вещества в нем происходят процессы ориентации различных структур, обладающих дипольным магнитным моментом. Так электроны, перемещаясь по орбитам, образуют элементарные токи и соответствующие магнитные поля или магнитные диполи (рис. 1 а)). Кроме этого, электроны создают магнитный момент за счет вращения вокруг собственной оси, называемый спиновым магнитным моментом.

Магнитный диполь можно характеризовать вектором магнитного момента, численно равным произведению величины элементарного тока на площадь контура, ограниченного этим током в пространстве

и направленным по нормали к площади контура.

Геометрическая сумма всех магнитных моментов образует магнитный момент тела

который обычно соотносят с объемом вещества V и называют намагниченностью или интенсивностью намагничивания

Единицу измерения намагниченности можно определить из выражения (1) [J] = [M/V] = Ам²/м³ = А/м.

Вектор намагниченности совпадает с направлением вектора напряженности и связан с ним линейной зависимостью

Безразмерный коэффициент k называется магнитной восприимчивостью вещества.

Для магнитного поля, существующего в некоторой среде, можно представить магнитную индукцию в виде суммы двух составляющих, индукции B₀ , соответствующей вакууму, и дополнительной индукции B_н, создаваемой намагниченностью вещества

где m ₀ - магнитная проницаемость вакуума; m _аи m =1+k - соответственно абсолютная и относительная магнитные проницаемости вещества.

В зависимости от значения m все вещества разделяются на диамагнитные парамагнитные и ферромагнитные. К диамагнетикам относятся вещества, у которых k <0 и m <1, т.е. их магнитная проницаемость меньше чем у вакуума. Наиболее сильно диамагнитные свойства выражены у висмута, у которого m =0,99983.
У парамагнетиков k >0 и m >1. Например, у платины относительная магнитная проницаемость составляет 1,00036.

Особую группу веществ, представляющих большой интерес с практической точки зрения, составляют ферромагнетики, у которых m >>1 и составляет величину порядка 10^4ј10⁶.

Определение напряженности магнитного поля через магнитные силы и массы не вполне адекватно физической картине явлений в магнитном поле, т.к., в отличие от электрического заряда, не существует массы или заряда магнитного. На практике удобнее пользоваться явлениями, связывающими между собой электрический ток и магнитное поле.

Пусть некая точечная магнитная масса m перемещается по произвольному пути из точки A в точку B магнитного поля (рис. 2). Действующая на магнитную массу механическая сила f в любой точке поля направлена по касательной к силовой линии и равна f=mH , где H - напряженность поля.

Работа по перемещению массы m по пути AB равна

где a - угол между направлением вектора H и касательной к направлению перемещения. В этом выражении линейный интеграл вектора напряженности магнитного поля, взятый вдоль некоторого пути AB, называется магнитодвижущей силой (МДС) F, действующей вдоль этого пути

т.е. магнитодвижущая сила численно равна работе по перемещению единичной магнитной массы по заданному пути.

Рассмотрим теперь перемещение магнитной массы m по замкнутому пути в магнитном поле витка с постоянным значением тока i.

Сначала допустим, что существует только воздействие со стороны поля витка на массу m (рис. 3 а)).

В соответствии с выражением (4), работа перемещения по замкнутому пути будет равна

Теперь предположим, что мы перемещаемся по тому же замкнутому контуру, но воздействие существует только со стороны магнитной массы m на виток с током (рис. 3 б)). При анализе электромагнитной силы было установлено, что элементарная работа по перемещению отрезка проводника с током i в магнитном поле равна dA = idФ = idN, где - число линий индукции магнитного поля, пересекаемых при перемещении.

Если магнитная масса m переместится по изображенному на рисунке контуру, то виток пересечет все исходящие из нее линии индукции и работа по перемещению, с учетом того, что полный магнитный поток перемещаемой массы численно равен ее значению, будет равна

Но на основании закона сохранения энергии A₁ = A₂ , отсюда

Очевидно, что задачу можно дополнить другими контурами (витками) с токами. Однако, в этом случае ее можно рассмотреть по отдельности, для каждого витка. Тогда в правой части выражения (8) окажется алгебраическая сумма всех токов, охваченных контуром интегрирования

Полученное выражение называется законом полного тока. Линейный интеграл вектора напряженности магнитного поля, взятый по замкнутому контуру, равен полному (суммарному) электрическому току, проходящему через поверхность, ограниченную этим контуром или МДС вдоль замкнутого контура равна полному току, охватываемому этим током.

Закон полного тока является одним из важнейших законов, устанавливающим неразрывную связь между электрическим током и магнитным полем. Из него следует, что любая магнитная линия обязательно охватывает электрический ток и, наоборот, электрический ток всегда окружен магнитным полем. Причем, не являются исключением из этого закона и постоянные магниты, т.к. в них магнитные линии создаются элементарными микроскопическими токами, также входящими в правую часть выражения (9).

Переход магнитного потока из одной среды в другую сопровождается некоторыми явлениями на границе раздела этих сред.

Пусть магнитный поток переходит из среды с магнитной проницаемостью m ₁ в среду с магнитной проницаемостью m ₂ (рис. 4). Из условия непрерывности магнитного потока следует, что при переходе из одной среды в другую через границу раздела площадью S он должен сохраняться, т.е. Ф₁ = Ф₂ . Но магнитный поток для изотропной среды можно представить через индукцию в виде

где Q - угол между направлением вектора индукции и нормалью к поверхности границы раздела сред, а произведение BcosQ - проекция вектора индукции на нормаль или нормальная проекция.

т.е. при переходе из одной среды в другую магнитная индукция изменяет свое значение, но сохраняет нормальную проекцию.

В изотропной среде векторы индукции и напряженности магнитного поля совпадают по направлению, поэтому и углы с нормалью векторов H₁ и H₂ будут такими же как у векторов B₁ и B₂(рис. 4 б)). Выделим вблизи поверхности раздела замкнутый прямоугольный контур abcd так, чтобы его противоположные стороны длиной l располагались в разных средах на бесконечно малом расстоянии от границы (рис. 4 б)).Найдем линейный интеграл от вектора напряженности поля вдоль этого контура и по закону полного тока приравняем его нулю, т.к. внутри контура отсутствует электрический ток:

Это означает, что при переходе из одной среды в другую вектор напряженности магнитного поля сохраняет тангенциальную составляющую, т.е. проекцию на границу раздела сред.

Если разделить выражение (10) на выражение (11), то мы получим соотношение, связывающее углы векторов с нормалью и магнитные проницаемости.

Из выражения (12) следует, что при большом отличии магнитных проницаемостей (m ₁/m ₂=1000), например, при выходе магнитного потока из ферромагнетика в воздушную среду почти параллельно границе раздела (Q ₁=87° ), угол с нормалью вектора индукции составит около 1° , т.е. можно считать, что магнитные линии в воздухе нормальны к поверхностям тел из ферромагнетиков.

Литература по напряженности магнитного поля

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Напряженность магнитного поля. Закон полного тока

История вопроса

Современный взгляд на понятие напряженности магнитного поля

Литература по напряженности магнитного поля