Magnetinis laukas: apibrėžimas, savybės ir matavimo vienetai
Magnetinis laukas – tai erdvėje esanti fizikinė sritis aplink magnetą, elektros srovę ar judančius krūvius, kurioje jaučiamas magnetinis poveikis ir gali veikti magnetinė jėga. Judantys elektros krūviai ir besikeičiantys elektriniai laukai sukuria magnetinį lauką. Magnetinį lauką dažnai vaizduojame pagal magnetinio srauto linijas – tariamas linijas, rodančias, kur link nukreiptas lauko vektorius.
Savybės ir vaizdavimas
Magnetinio lauko kryptį nurodo magnetinio srauto linijų kryptis: nuo šiaurės poliaus prie pietų (tradicinis žymėjimas). Jei linijos yra arti viena kitos, laukas vietoje yra stipresnis; jei jos išsidėsto rečiau – laukas silpnesnis. Praktinis magnetinio srauto linijų vaizdavimas atliekamas uždėjus geležies drožles ant magneto paviršiaus: drožlės išsidėsto taip, kad parodytų linijas ir jų kryptį.
Magnetiniame lauke esančių mažų magnetinių elementų – dipolių – ašys linksta taip, kad jų spygliai išsidėsto lygiagrečiai lauko linijoms, todėl geležies drožlės atsidėsto ir sudaro aiškias linijas.
Fizikinis apibrėžimas ir pagrindinės savybės
Fizikoje magnetinis laukas apibrėžiamas kaip vektorinė lauko reikšmė (paprastai žymima B), kuri veikia judančius krūvius ir magnetinius dipolius. Magnetinis laukas turi šias pagrindines savybes:
- Vektoriškumas: lauko stiprumą ir kryptį apibūdina vektorius (pvz., B).
- Energija ir impulsas: magnetinis laukas kaupia energiją; lauko energijos tankis erdvėje proporcingas lauko intensyvumo kvadratui.
- Šaltiniai: magnetinės dipolės, elektros srovės ir kintantys elektriniai laukai.
Matavimas ir vienetai
Magnetinis laukas dažniausiai matuojamas kaip magnetinės indukcijos vektorius B. Jo vienetas SI sistemoje yra teslų (SI vienetai), o klasikiniame cgs sistemoje – gausų. Be B, magnetinį lauką apibūdina ir magnetinio lauko stiprumas H (vienetas A/m), o tarp B ir H egzistuoja santykis, priklausantis nuo medžiagos magnetinės pralaidumo (μ).
Teoriniai dėsniai ir ryšiai
Pagrindiniai magnetinio lauko įstatymai ir ryšiai yra:
- Ampėro dėsnis (su pakeitimu Maxwellio), siejantis laidininką einančią srovę su aplink susidarančiu magnetiniu lauku.
- Biot–Savart taisyklė, leidžianti apskaičiuoti lauko B taške, sukeltą nedidelio srovės elemento.
- Faradėjaus elektromagnetinės indukcijos dėsnis, aprašantis įtampos atsiradimą uždaroje grandinėje, kai per ją kinta magnetinis srautas; šį reiškinį atrado Maiklas Faradėjus.
- Visus šiuos reiškinius sujungė ir teigė, kad elektros ir magnetiniai laukai yra viena elektromagnetinės sąveikos forma – tai įtvirtino James Clerk Maxwell, suformulavęs elektromagnetizmo lygčių sistemą.
Energijos tankis
Magnetinio lauko energijos tankis vakuume (u) yra proporcingas lauko stiprumo kvadratui. Paprastai jis išreiškiamas formule u = B² / (2μ), kur μ yra erdvės ar medžiagos magnetinė pralaiduma. Tai reiškia, kad didesnė B reikšmė reiškia daugiau sukauptos energijos viename tūrio vienete.
Magnetinio lauko poveikis ir taikymai
Magnetiniai laukai veikia įvairius objektus ir procesus:
- Veikia judančius krūvius, todėl mechaninė jėga gali būti sukuriama elektros varikliuose.
- Veikia magnetinius dipolius – tai pagrindas magnetinių medžiagų elgesiui ir magnetizmui (žr. magnetizmas, magnetas ir diamagnetizmas).
- Naudojami pramonėje ir kasdienybėje: elektros varikliai, generatoriai, transformatoriai, magnetinės atminties priemonės, magnetinio resonanso tomografija (MRT) ir kt.
- Žemės magnetinis laukas apsaugo atmosferą nuo dalelių spinduliuotės ir naudojamas navigacijoje.
Matavimo prietaisai
Magnetinio lauko stipris ir indukcija matuojami naudojant:
- gausmetrus arba teslametrus (matuoja B);
- magnetometrus (skirtingų tipų, įskaitant optinius, fluxgate, SQUID ir kt.);
- laboratorinius metodus, pavyzdžiui, Hall efekto jutiklius.
Elektrinis ir magnetinis laukas
Elektrinis laukas ir magnetinis laukas yra elektromagnetinio lauko sudedamosios dalys: jie yra tarpusavyje susiję ir vienas kitą gali sukelti (pvz., kintantis elektrinis laukas sukuria magnetinį lauką ir atvirkščiai). Dėl šio ryšio atsiranda elektromagnetinės bangos, kurios plinta erdve ir perduoda energiją.
Apibendrinant: magnetinis laukas yra fundamentali gamtos lauko forma, kurią sukuria judantys krūviai, magnetiniai dipoliai ir kintantys elektriniai laukai. Supratimas apie magnetinius laukus leidžia paaiškinti daug kasdienio ir technologinio pasaulio reiškinių bei kurti prietaisus, naudojamus pramonėje, medicinoje ir moksle.
H laukas
Fizikai gali teigti, kad dviejų magnetų tarpusavio jėgą ir sukimo momentą sukelia vienas kitą atstumiantys arba pritraukiantys magnetiniai poliai. Tai panašu į Kulono jėgą, atstumiančią tuos pačius elektros krūvius arba pritraukiančią priešingus elektros krūvius. Šiame modelyje magnetinį H lauką sukuria magnetiniai krūviai, kurie yra "išbarstyti" aplink kiekvieną polių. Taigi H laukas yra kaip elektrinis laukas E, kuris prasideda ties teigiamu elektros krūviu ir baigiasi ties neigiamu elektros krūviu. Netoli šiaurės ašigalio visos H lauko linijos nukreiptos į šiaurinį ašigalį (tiek magneto viduje, tiek išorėje), o netoli pietų ašigalio (tiek magneto viduje, tiek išorėje) visos H lauko linijos nukreiptos į pietų ašigalį. Taigi šiaurinis polius jaučia jėgą H lauko kryptimi, o pietinį polių veikia jėga, priešinga H laukui.
Pagal magnetinių polių modelį elementarųjį magnetinį dipolį m sudaro du priešingi magnetiniai poliai, kurių polių stiprumas qm, atskirti labai mažu atstumu d, todėl m = qm d.
Deja, magnetiniai poliai negali egzistuoti atskirai vienas nuo kito. Visi magnetai turi šiaurės ir pietų poras, kurių negalima atskirti nesukūrus dviejų magnetų, turinčių po vieną šiaurės ir pietų porą. Be to, magnetiniai poliai neatspindi magnetizmo, kurį sukuria elektros srovės, ir jėgos, kuria magnetinis laukas veikia judančius elektros krūvius.
Magnetinio poliaus modelis : du priešingi poliai, šiaurinis (+) ir pietinis (-), kuriuos skiria atstumas d, sukuria H lauką (linijos).
H laukas ir magnetinės medžiagos
H laukas apibrėžiamas taip:
H ≡ B μ 0 - M , {\displaystyle \mathbf {H} \ \ \equiv \ {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} ,} 
(H apibrėžimas SI vienetais)
Pagal šį apibrėžimą Ampero dėsnis tampa:
∮ H ⋅ d ℓ = ∮ ( B μ 0 - M ) ⋅ d ℓ = I t o t - I b = I f {\displaystyle \oint \mathbf {H} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}=\oint \left({\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} \right)\cdot d{\boldsymbol {\ell }}=I_{\mathrm {tot} }-I_{{\mathrm {b} }=I_{\mathrm {f} }} 
čia If - tai "laisvoji srovė", kurią gaubia kilpa, todėl tiesinis integralas H visiškai nepriklauso nuo ribinių srovių. Diferencialinį šios lygties ekvivalentą žr. Maksvelo lygtyse. Ampero dėsnis lemia ribinę sąlygą:
H 1 , ∥ - H 2 , ∥ = K f , {\displaystyle H_{1,\paralelinė }-H_{2,\paralelinė }=\mathbf {K} _{\text{f}},} 
kur Kf yra paviršiaus laisvosios srovės tankis.
Panašiai H integralas bet kokiame uždarame paviršiuje nepriklauso nuo laisvųjų srovių ir išskiria "magnetinius krūvius" tame uždarame paviršiuje:
∮ S μ 0 H ⋅ d A = ∮ S ( B - μ 0 M ) ⋅ d A = ( 0 - ( - q M ) ) = q M , {\displaystyle \oint _{S}\mu _{0}\mathbf {H} \cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =\oint _{S}(\mathbf {B} -\mu _{0}\mathbf {M} )\cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =(0-(-q_{M}))=q_{M},} 
kuris nepriklauso nuo laisvųjų srovių.
Todėl H lauką galima padalyti į dvi nepriklausomas dalis:
H = H 0 + H d , {\displaystyle \mathbf {H} =\mathbf {H} _{0}+\mathbf {H} _{d},\,} 
kur H0 yra tik laisvųjų srovių veikiamas magnetinis laukas, o Hd yra tik surištųjų srovių veikiamas demagnetizuojantis laukas.
Todėl magnetinis H laukas pertvarko rišamąją srovę į "magnetinius krūvius". H lauko linijos apjuosia tik "laisvąją srovę" ir, kitaip nei magnetinis B laukas, prasideda ir baigiasi netoli magnetinių polių.
Susiję puslapiai
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra magnetinis laukas?
Atsakymas: Magnetinis laukas - tai sritis aplink magnetą, kurioje dėl judančių elektros krūvių poveikio veikia magnetinė jėga.
K: Kaip galima nustatyti magneto stiprumą?
A: Magneto stiprumą galima nustatyti pagal atstumą tarp magnetinių linijų - kuo jos arčiau viena kitos, tuo magnetas stipresnis.
K: Kas atsitinka, kai dalelės liečiasi su magnetiniu lauku?
A: Kai dalelės liečiasi su magnetiniu lauku, jos patiria jo jėgą.
K: Ką reiškia, kad kažkas turi savo energiją ir pagreitį?
Atsakymas: Turėti savo energiją ir pagreitį reiškia, kad kažkas turi savo savybes, leidžiančias jam judėti ar veikti nepriklausomai nuo kitų objektų ar jėgų.
K: Kaip išmatuoti magnetinio lauko stiprumą?
A: Magnetinio lauko stipris matuojamas teslaksais (SI vienetai) arba gausais (CGS vienetai).
K: Kas nustatė elektromagnetizmo dėsnį?
A: Maiklas Faradėjus sukūrė elektromagnetizmo dėsnį.
K: Kas atsitinka, kai geležies dribsniai padedami šalia magneto?
Atsakymas: Kai geležies dribsniai padedami šalia magneto, jie juda ir išsidėsto į srauto linijas, kurios rodo magnetinio lauko kryptį ir stiprumą.
