Магни́тное по́ле — поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движенияБСЭ. 1973, «Советская энциклопедия»; магнитная составляющая электромагнитного поляВ частных случаях магнитное поле может существовать и в отсутствие электрического поля, но вообще говоря магнитное поле глубоко взаимосвязано с электрическим, как динамически (взаимное порождение переменными электрическим и магнитным полем друг друга), так и в том смысле, что при переходе в новую систему отсчёта магнитное и электрическое поле выражаются друг через друга, то есть вообще говоря не могут быть безусловно разделены..
Магнитное поле может создаваться электрическим током или, в случае постоянных магнитов, магнитными моментами электронов в атомах (и моментами других частиц, что обычно проявляется в существенно меньшей степени).
Кроме этого, оно возникает в результате изменения во времени электрического поля.
Основной количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля)Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике: 2-е изд., перераб. — : Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1985, — 512 с.. С математической точки зрения магнитное поле описывается векторным полем , заданным в каждой точке пространства в зависимости от времени .
Вместо магнитной индукции для описания магнитного поля можно использовать ещё одну фундаментальную величину, тесно с ней взаимосвязанную, — векторный потенциал ().
Нередко в литературе в качестве основной характеристики магнитного поля в вакууме (то есть в отсутствие вещества) выбирают не вектор магнитной индукции а вектор напряжённости магнитного поля , что формально можно сделать, так как в вакууме эти два вектора совпадаютТочно совпадают в системе единиц СГС, в СИ — отличаются постоянным коэффициентом, что, конечно, не меняет факта их практического физического тождества.; однако в магнитной среде вектор не несёт уже того же физического смыслаСамым важным и очевидным отличием тут является то, что сила, действующая на движущуюся частицу (или на магнитный диполь) вычисляются именно через а не через . Любой другой физически корректный и осмысленный метод измерения также даст возможность измерить именно хотя для формального расчёта иногда оказывается более удобным — в чём, собственно, и состоит смысл введения этой вспомогательной величины (иначе без неё вообще обходились бы, используя только , являясь важной, но всё же вспомогательной величиной. Поэтому, несмотря на формальную эквивалентность обоих подходов для вакуума, с систематической точки зрения следует считать основной характеристикой магнитного поля именно
Магнитное поле можно назвать особым видом материиОднако надо хорошо понимать, что ряд фундаментальных свойств этой «материи» в корне отличается от свойств того обычного вида «материи», который можно было бы обозначить термином «вещество»., посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом.
В специальной теории относительности магнитные поля являются необходимым следствием существования электрических полей. При переходе от одной ИСО к другой магнитные и электрические поля преобразуются совместноСм. параграф Преобразования Лоренца для электромагнитного поля (ф-лы 6.38) курса «Электричество и магнетизм» на сайте МИФИ, кафедра общей физики..
Вместе магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются, в частности, свет и все другие электромагнитные волны.
С точки зрения квантовой теории поля магнитное взаимодействие — как частный случай электромагнитного взаимодействия — переносится фундаментальным безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля), часто (например, во всех случаях статических полей) — виртуальным.
Источники и регистраторы поля Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц, или изменяющимся во времени электрическим полем, или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам).
Фундаментальным средством регистрации магнитного поля является плоская рамка с током, которая стремится расположиться так, чтобы её магнитный момент (нормаль к плоскости рамки) стал сонаправленным с детектируемым полем. Для практических количественных измерений существуют приборы, называемые тесламетрами.
Вычисление магнитного поля В простых случаях магнитное поле ( или , — радиус-вектор) проводника с током, в том числе и для случая тока, распределённого произвольным образом по объёму, может быть найдено из закона Био — Савара — Лапласа или теоремы о циркуляции. Этот способ ограничивается случаем (приближением) магнитостатики, то есть случаем постоянных (если речь идёт о строгой применимости) или достаточно медленно меняющихся (если речь идёт о приближённом применении) магнитных и электрических полей.
В более сложных ситуациях магнитное поле вычисляется путём решения уравнений Максвелла — для полей или для потенциалов, в зависимости от того, какая величина выбрана для характеризации магнитного поля.
Применительно к магнитному полю (так же, как и к электрическому) обычно действует принцип суперпозиции: поле нескольких источников равно сумме полей, создаваемых источниками по отдельности. Исключением могут быть случаи присутствия ферромагнитных нелинейных сред (для электрических полей подобное исключение возникает при наличии сегнетоэлектриков).
Единицы измерения Ниже приведены размерности основных величин, характеризующих магнитное поле.
Величина в системе единиц СИ измеряется в теслах (русское обозначение: Тл; международное: T), в системе СГС — в гауссах (русское обозначение: Гс; международное: G). Связь между ними выражается соотношениями: 1 Гс = 1·10−4 Тл и 1 Тл = 1·104 Гс.
Векторное поле измеряется в амперах на метр (А/м) в системе СИ и в эрстедах (русское обозначение: Э; международное: Oe) в СГС. Связь между ними выражается соотношением: 1 эрстед = 1000/(4π) A/м ≈ 79,5774715459 А/м.
Векторный потенциал , ротор которого равен магнитной индукции, измеряется в Тлм (в СИ) или Гссм (в СГС). Связь: 1 Гссм = 10−6 Тлм, или 1 Тлм = 106 Гссм.
Проявление магнитного поля Магнитное поле проявляется в воздействии на магнитные моменты частиц и тел, на движущиеся заряженные частицы (или проводники с током).
Силовое воздействие на заряды и токи
Сила, действующая на движущуюся в магнитном поле электрически заряженную частицу, называется силой Лоренца, которая всегда направлена перпендикулярно к векторам и . Она пропорциональна заряду частицы , составляющей скорости , перпендикулярной направлению вектора магнитного поля , и величине индукции магнитного поля . В Международной системе единиц (СИ) сила Лоренца выражается так: , в системе единиц СГС: , где квадратными скобками обозначено векторное произведение.
Также (вследствие действия силы Лоренца на движущиеся по проводнику заряженные частицы) магнитное поле действует на проводник с током. Сила, действующая на проводник с током, называется силой Ампера. Эта сила складывается из сил, действующих на отдельные движущиеся внутри проводника заряды.
Взаимодействие двух магнитов Одно из наиболее часто встречающихся в обычной жизни проявлений магнитного поля — взаимодействие двух магнитов: одинаковые полюса отталкиваются, противоположные притягиваются. Представляется заманчивым описать взаимодействие между магнитами как взаимодействие между двумя монополями, и с формальной точки зрения эта идея вполне реализуема и часто весьма удобна, а значит практически полезна (в расчётах); однако детальный анализ показывает, что на самом деле это не полностью правильное описание явления (наиболее очевидным вопросом, не получающим объяснения в рамках такой модели, является вопрос о том, почему монополи никогда не могут быть разделены, то есть почему эксперимент показывает, что никакое изолированное тело на самом деле не обладает магнитным зарядом; кроме того, слабостью модели является то, что она неприменима к магнитному полю, создаваемому макроскопическим током, а значит, если не рассматривать её как чисто формальный приём, приводит лишь к усложнению теории в фундаментальном смысле).
На магнитный диполь, помещённый в однородное поле, действует момент сил, стремящийся повернуть его так, чтобы магнитный момент диполя был сонаправлен с магнитным полем. При этом суммарная сила, действующая на магнит со стороны однородного магнитного поля, равна нулю. Сила, действующая на магнитный диполь с магнитным моментом в случае неоднородного поля, выражается формулойДля однородного поля это выражение даёт нулевую силу, поскольку равны нулю все производные B по координатам.: . Сила, действующая на магнит (не являющийся одиночным точечным диполем) со стороны неоднородного поля, может быть найдена суммированием всех сил (определяемых данной формулой), действующих на элементарные диполи, составляющие магнит.
Впрочем, возможен подход, сводящий взаимодействие магнитов к силе Ампера, а сама приведённая выше формула для силы, действующей на магнитный диполь, тоже может быть получена из выражения для силы Ампера.
Явление электромагнитной индукции
Если поток вектора магнитной индукции через замкнутый контур меняется во времени, в этом контуре возникает ЭДС электромагнитной индукции, порождаемая (в случае неподвижного контура) вихревым электрическим полем, возникающим вследствие изменения магнитного поля со временем (в случае неизменного со временем магнитного поля и изменения потока из-за движения контура-проводника такая ЭДС возникает посредством действия силы Лоренца).
В массивном проводнике, пронизываемом переменным магнитным потоком, возникают замкнутые (вихревые) электрические токи — так называемые токи Фуко́. Они являются индукционными токами, образующимися в проводящем теле либо вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором оно находится, либо в результате движения тела в магнитном поле, приводящего к изменению магнитного потока через тело или любую его часть. Согласно правилу Ленца, магнитное поле токов Фуко направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующему эти токи Физическая энциклопедия..
Математическое представление Магнитное поле в макроскопическом описании представлено двумя различными векторными полями, обозначаемыми как и , а также векторным потенциалом .
называется напряжённостью магнитного поля; называется магнитной индукцией. Термин магнитное поле применяется к обоим этим векторным полям (хотя исторически относился в первую очередь к ).
Магнитная индукция является основнойПри рассмотрении задач не на микроскопическом масштабе, а на т. н. физически бесконечно малом масштабе (ФЭ,Л-М.у. ) характеристикой магнитного поля, так как, во-первых, именно она определяет действующую на заряды силу, а во-вторых, векторы и на самом деле являются компонентами единого тензора электромагнитного поля. Аналогично, в единый тензор объединяются величины и электрическая индукция . В свою очередь, разделение электромагнитного поля на электрическое и магнитное является совершенно условным и зависящим от выбора системы отсчёта, поэтому вектора и должны рассматриваться совместно.
Впрочем, в вакууме (при отсутствии магнетиков), а значит и на фундаментальном микроскопическом уровне, и совпадают (в системе СИ с точностью до условного постоянного множителя, а в СГС — полностью), что позволяет в принципе авторам, особенно тем, кто не использует СИ, выбирать для фундаментального описания магнитного поля или произвольно, чем они нередко и пользуются (к тому же, следуя в этом традиции). Авторы же, пользующиеся системой СИ, систематически отдают и здесь в этом отношении предпочтение вектору , хотя бы потому, что именно через него прямо выражается сила Лоренца.
Магнитные свойства веществ