Магнитная индукция

Магнитная индукция
Размерность	MT−2I−1
Единицы измерения
СИ	Тл
СГС	Гс
Примечания
Векторная величина

Магни́тная инду́кция — векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля, а именно характеристикой его действия на движущиеся заряженные частицы и на обладающие магнитным моментом тела. Выступает основной, фундаментальной характеристикой магнитного поля, аналогичной вектору напряжённости электрического поля.

Стандартное обозначение: ${\vec {B}}$.

Единицы измерения:

в СИ — тесла (Тл),

в СГС — гаусс (Гс) (соотношение размерностей: 1 Тл = 10⁴ Гс).

Величина магнитной индукции фигурирует в ряде важнейших формул электродинамики, включая уравнения Максвелла.

Физический смысл

Правила для магнитных сил, действующих на отрицательно (слева) и положительно заряженные частицы (справа).

Магнитная индукция ${\vec {B}}$ характеризуется тем, что сила Лоренца ${\vec {F}}$, действующая со стороны магнитного поля на заряд $q^{*}$, движущийся со скоростью ${\vec {v}}$, равна

${\vec {F}}=q^{*}\left[{\vec {v}}\times {\vec {B}}\right]$

(по величине $F=q^{*}vB\sin \alpha$).

В приведённой формуле символом ($\times$) обозначено векторное произведение, α — угол между векторами скорости и магнитной индукции (вектор ${\vec {F}}$ перпендикулярен им обоим и направлен по правилу левой руки для отрицательно заряженных частиц и правилу правой руки для частиц с положительным зарядом).

Также магнитная индукция может быть определена как отношение максимального механического момента сил, действующих на рамку с током, помещённую в предполагаемое однородным (на расстояниях порядка размера рамки) магнитное поле, к произведению силы тока $I^{*}$ в рамке на её площадь. Момент сил зависит от ориентации рамки и достигает максимального значения при каких-то определённых углах. Звёздочка у символа указывает на то, что заряд или ток являются «пробными», то есть используемыми именно для регистрации поля, в отличие от тех же величин без звёздочки.

Магнитная индукция выступает основной, фундаментальной характеристикой магнитного поля, аналогичной вектору напряжённости электрического поля ${\vec {E}}$.

Способы расчёта

Общий случай

В общем случае расчёт магнитной индукции проводится посредством решения системы уравнений Максвелла совместно с расчётом электрической составляющей электромагнитного поля:

Невозможно разобрать выражение (синтаксическая ошибка): {\displaystyle \mathrm{div}\,(\varepsilon\vec E) = \frac{\rho}{\varepsilon_0},\ \ \ \mathrm{rot}\,\vec E = - \frac{\partial \vec B}{\partial t}, }

$\mathrm {div} \,{\vec {B}}=0,\ \ \ \ \,\mathrm {rot} \,{\frac {\vec {B}}{\mu }}=\mu _{0}{\vec {j}}+{\frac {\varepsilon }{c^{2}}}{\frac {\partial {\vec {E}}}{\partial t}}$,

где $\mu _{0}$ — магнитная постоянная, $\mu$ — магнитная проницаемость, $\varepsilon$ — диэлектрическая проницаемость, а $c$ — скорость света в вакууме. Через $\rho$ обозначена плотность заряда (Кл/м³) и через ${\vec {j}}$ плотность тока (А/м²).

Магнитостатика

Магнитное поле вокруг проводника с током

Магнитное поле соленоида

Магнитное поле постоянного магнита

В магнитостатическом пределе расчёт магнитного поля может быть выполнен с использованием формулы Био—Савара—Лапласа. Вид этой формулы несколько различен для ситуаций, когда поле создаётся текущим по проводу $L_{1}$ током $I$ или когда оно создаётся объёмным распределением тока:

${\vec {B}}\left({\vec {r}}\right)={\mu _{0} \over 4\pi }\int \limits _{L_{1}}{\frac {I\left({\vec {r}}_{1}\right)d{\vec {l}}_{1}\times \left({\vec {r}}-{\vec {r}}_{1}\right)}{\left|{\vec {r}}-{\vec {r}}_{1}\right|^{3}}},\qquad {\vec {B}}\left({\vec {r}}\right)={\mu _{0} \over 4\pi }\int {\frac {{\vec {j}}\left({\vec {r}}_{1}\right)dV_{1}\times \left({\vec {r}}-{\vec {r}}_{1}\right)}{\left|{\vec {r}}-{\vec {r}}_{1}\right|^{3}}}$.

В магнитостатике эта формула играет ту же роль, что и закон Кулона в электростатике. Формула позволяет вычислить магнитную индукцию в вакууме. Для случая магнитной среды необходимо использовать уравнения Максвелла (без слагаемых с производными по времени).

Если заранее очевидна геометрия поля, применима теорема Ампера о циркуляции магнитного поля (эта запись является интегральной формой уравнения Максвелла для $\mathrm {rot} \,{\vec {B}}$ в вакууме):

$\oint \limits _{L}{\vec {B}}\cdot d{\vec {l}}=\mu _{0}\int \limits _{S}{\vec {j}}\cdot d{\vec {S}}$.

Здесь $S$ — произвольная поверхность, «натянутая» на выбранный замкнутый контур $L$.

Простые примеры

Вектор магнитной индукции прямого провода с током $I$ на расстоянии $a$ от него составляет

${\vec {B}}={\frac {\mu _{0}\mu I}{2\pi a}}\cdot {\vec {e}}_{\varphi }$,

где ${\vec {e}}_{\varphi }$ — единичный вектор вдоль окружности, по оси симметрии которой проложен провод. Предполагается, что среда однородна.

Вектор магнитной индукции прямого внутри соленоида с током $I$ и числом витков на единицу длины $n$ равен

${\vec {B}}=\mu _{0}\mu nI\cdot {\vec {e}}_{z}$,

где ${\vec {e}}_{z}$ — единичный вектор вдоль оси соленоида. Здесь также предполагается однородность магнетика, которым заполнен соленоид.

Связь с напряжённостью

Магнитная индукция и напряжённость магнитного поля связаны через соотношение

${\vec {B}}=\mu _{0}\mu {\vec {H}}$,

где $\mu$ — магнитная проницаемость среды (в общем случае это тензорная величина, но в большинстве реальных случаев её можно считать скаляром, то есть просто константой конкретного материала).

Основные уравнения

Поскольку вектор магнитной индукции является одной из основных фундаментальных физических величин в теории электромагнетизма, он входит в большое число уравнений, иногда непосредственно, иногда через связанную с ним напряжённость магнитного поля. По сути, единственная область в классической теории электромагнетизма, где он отсутствует, — это электростатика.

Некоторые из уравнений:

• Три из выписанных выше четырех уравнений Максвелла (основных уравнений электродинамики). Их физическое содержание:
  1. уравнение для $\mathrm {div} \,{\vec {B}}$ — закон отсутствия монополя,
  2. для $\mathrm {rot} \,{\vec {E}}$ — закон электромагнитной индукции Фарадея,
  3. для $\mathrm {rot} \,{\vec {B}}$ — закон Ампера — Максвелла.
• Формула силы Лоренца при наличии и магнитного (${\vec {B}}$), и электрического (${\vec {E}}$) поля:

  ${\vec {F}}=q^{*}{\vec {E}}+q^{*}\left[{\vec {v}}\times {\vec {B}}\right]$.

• Выражение для силы Ампера, действующей со стороны магнитного поля на ток (участок провода с током):

  $d{\vec {F}}=\left[I^{*}{\vec {dl}}\times {\vec {B}}\right]$ или $d{\vec {F}}=\left[{\vec {j}}^{*}dV\times {\vec {B}}\right]$.

Магнитный диполь, состоящий из двух магнитных зарядов (монополей).

Ориентация магнитного диполя во внешнем магнитном поле.

• Выражение для момента силы, действующего со стороны магнитного поля на магнитный диполь $m^{*}$ (виток с током, катушку или постоянный магнит):

  ${\vec {M}}={\vec {m}}^{*}\times {\vec {B}}$.

• Выражение для потенциальной энергии магнитного диполя в магнитном поле:

  $U=-{\vec {m}}^{*}\cdot {\vec {B}}$,

из которого следуют выражения для силы, действующей на магнитный диполь в неоднородном магнитном поле,

• Выражение для силы, действующей со стороны магнитного поля на точечный магнитный заряд:

  ${\vec {F}}=K{\frac {q_{m}^{*}{\vec {r}}}{r^{3}}}.$

(это выражение, точно соответствующее обычному закону Кулона, широко используется для формальных вычислений, для которых ценна его простота, несмотря на то, что реальных магнитных зарядов в природе не обнаружено. Оно также может прямо применяться к вычислению силы, действующей со стороны магнитного поля на полюс длинного тонкого магнита или соленоида).

• Выражение для плотности энергии магнитного поля

  $w={\frac {B^{2}}{2\mu _{0}\mu }}$.

Оно входит (вместе с энергией электрического поля) и в выражение для энергии электромагнитного поля, и в лагранжиан электромагнитного поля, и в его действие. Последнее же с современной точки зрения является фундаментальной основой электродинамики (как классической, так в принципе и квантовой).

Типичные значения

характерные значения магнитной индукции

объект	Тл	объект	Тл
межзвёздное пространство	10-10	небольшой магнит (Nd-Fe-B)	0,2
магнитное поле Земли	5 • 10-5	большой электромагнит	1,5
1 см от провода с током 100 А	2 • 10-3	сильный лабораторный магнит	10
небольшой магнит (феррит)	0,01	поверхность нейтронной звезды	108

См. также

• Векторный потенциал
• Уравнения Максвелла
• Электромагнитное поле
• Тензор электромагнитного поля
• Напряжённость магнитного поля

Литература

Коваленко И. И. Курс физики: учебное пособие. Электричество и магнетизм. — СПб.: ГУАП, 2020. — 143 с. — ISBN 978-5-8088-1480-6.

Примечания

Справка

Источники

Ссылки

• Уравнения Максвелла (Научный портал «Элементы большой науки»)
• С.И. Кузнецов, К.И. Рогозин. Справочник. Магнетизм.

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!