(Compararea lui B, H și M în interiorul și în exteriorul unui magnet cilindric.)
Un câmp magnetic este un câmp de forță care este creat prin deplasareasarcinilor electrice (curenți electrici) și dipoli magnetici, și exercită o forță asupra altor sarcini mobile în mișcare și dipoli magnetici. În orice punct dat, are o direcție și o magnitudine (sau intensitate), deci este reprezentat de un câmp vectorial. Termenul se folosește pentru două câmpuri distincte, dar strâns legate, indicate de simbolurile B și H, unde în Sistemul Internațional de Unități H este măsurat în unități de amperi pe metru și B este măsurat în tesla sau newtoni pe metru pe amper. Într-un vid, B și H sunt aceiași cu excepția unităților; dar într-un material cu magnetizare (marcată cu simbolul M), B este solenoidal (fără divergențe în dependența spațială), în timp ce H este irrotational (fără curbare).
Câmpurile magnetice pot fi produse prin mișcarea sarcinilor electrice și a momentelor magnetice intrinseci ale particulelor elementare asociate cu o proprietate cuantică fundamentală, spinul lor. Câmpurile magnetice și câmpurile electrice sunt interdependente și sunt componente ale forței electromagnetice, una dintre cele patru forțe fundamentale ale naturii.
În viața de zi cu zi, câmpurile magnetice se întâlnesc cel mai des ca o forță creată de magneți permanenți, care atrag materiale feromagnetice, cum ar fi fierul, cobaltul sau nichelul, și atrag sau resping alți magneți.
Câmpurile magnetice sunt utilizate pe scară largă în întreaga tehnologie modernă, în special în inginerie electrică și electromecanică. Pământul produce propriul câmp magnetic, care protejează stratul de ozon al Pământului de vântul solar și este important în navigație folosind o busolă. Câmpurile magnetice rotative sunt utilizate atât în motoarele electrice, cât și în generatoare. Forțele magnetice oferă informații despre purtătorii de sarcină într-un material prin efectul Hall. Interacțiunea câmpurilor magnetice în dispozitivele electrice, cum ar fi transformatoarele, este studiată în disciplina circuitelor magnetice.
Definiții, unități și măsurători
Câmpul B
Câmpul magnetic poate fi definit în mai multe moduri echivalente, pe baza efectelor pe care le are asupra mediului său.
Adesea, câmpul magnetic este definit de forța pe care o exercită asupra unei particule încărcate în mișcare. Se știe din experimentele din electrostatică faptul că o particulă de sarcină q într-un câmp electric E are o forță F = qE. Cu toate acestea, în alte situații, cum ar fi atunci când o particulă încărcată se deplasează în vecinătatea unui fir care poartă curent electric, forța depinde, de asemenea, de viteza particulei respective. Din fericire, porțiunea dependentă de viteză poate fi separată astfel încât forța asupra particulei să respecte legea forței Lorentz,
F = q (E + v×B).
Aici v este viteza particulei și × indică produsul încrucișat. Vectorul B este denumit câmpul magnetic și este definit ca câmpul vectorial necesar pentru a face legea forței Lorentz să descrie corect mișcarea unei particule încărcate. Această definiție permite determinarea lui B în modul următor
Cerința “Măsurați direcția și magnitudinea vectorului B într-un anumit loc” solicită următoarele operații: Luați o particulă de sarcină cunoscută q. Măsurați forța asupra lui q în repaus, pentru a determina E. Apoi măsurați forța asupra particulei atunci când viteza sa este v; repetați cu v în altă direcție. Acum găsiți un B care face ca legea forței Lorentz să se potrivească tuturor acestor rezultate – adică câmpul magnetic din locul în cauză.
Alternativ, câmpul magnetic poate fi definit în termenii cuplului pe care îl produce pe un dipol magnetic.
Câmpul H
În plus față de B, există o cantitate H, care, uneori, se numește câmp magnetic. În vid, B și H sunt proporționali unul cu celălalt, cu o constantă multiplicativă în funcție de unitățile fizice. În interiorul unui material, acestea sunt diferite. Termenul “câmp magnetic” este rezervat istoric pentru H în timp ce se folosesc alți termeni pentru B. În mod informal și formal pentru unele manuale recente, mai ales în fizică, termenul “câmp magnetic” este utilizat pentru a descrie B, precum și sau în locul lui H. Există multe nume alternative pentru ambele.
Unități
În unitățile SI, B este măsurat în tesla (simbol: T) și în mod corespunzător ΦB (flux magnetic) este măsurat în weber (simbol: Wb) astfel încât o densitate de flux de 1 Wb/m2 este 1 tesla. Unitatea SI a tesla este echivalentă cu (newton·secunde)/(coulomb·metri). În unitățile Gaussian-cgs, B este măsurat în gauss (simbol: G). (Conversia este 1 T = 10.000 G.) O nanoteslă este de asemenea numită gamma (simbol: γ). Câmpul H este măsurat în amperi pe metru (A/m) în unități SI și în oersteds (Oe) în unități cgs.
Măsurare
Precizia obținută pentru măsurarea câmpului magnetic pentru experimentul Gravity Probe B este de 5 attotesla (5×10-18 T); cel mai mare câmp magnetic produs într-un laborator este de 2,8 kT (VNIIEF în Sarov, Rusia, 1998). Câmpul magnetic al unor obiecte astronomice, cum ar fi magnetarii, este mult mai mare; la magnetari variază între 0,1 și 100 GT (108 la 1011 T).
Aparatele folosite pentru măsurarea câmpului magnetic local se numesc magnetometre. Clasele importante de magnetometre includ utilizarea magnetometrului de inducție care măsoară numai câmpul magnetic variabil, magnetometrul rotativ al bobinei, magnetometrele cu efect Hall, magnetometrele RMN, magnetometrele SQUID și magnetometrele cu sondă magnetometrică. Câmpurile magnetice ale obiectelor astronomice îndepărtate sunt măsurate prin efectele lor asupra particulelor încărcate local. De exemplu, electronii care se învârt în jurul unei linii de câmp produc radiații sincrotron care pot fi detectate în undele radio.
Linii de câmp magnetic
(Compasele arată direcția câmpului magnetic local. După cum se vede aici, câmpul magnetic indică spre polul sudic al unui magnet și invers față de polul său nord. )
Cartografierea câmpului magnetic al unui obiect este în principiu simplă. Mai întâi, măsurați puterea și direcția câmpului magnetic într-un număr mare de locații (sau în fiecare punct din spațiu). Apoi marchează fiecare locație cu o săgeată (numită vector) care indică în direcția câmpului magnetic local cu magnitudinea sa proporțională cu intensitatea câmpului magnetic.
O metodă alternativă de a cartografia câmpul magnetic este să “conectați” săgețile pentru a forma linii de câmp magnetic. Direcția câmpului magnetic în orice punct este paralelă cu direcția liniilor de câmp din apropiere, iar densitatea locală a liniilor de câmp poate fi făcută proporțională cu intensitatea sa.
Liniile de câmp magnetic sunt ca liniile de flux în fluxul de fluid, prin faptul că ele reprezintă ceva continuu, și o rezoluție diferită ar arăta mai multe sau mai puține linii. Un avantaj al utilizării liniilor câmpului magnetic ca reprezentare este faptul că multe legi ale magnetismului (și electromagnetismului) pot fi considerate complete și concise folosind concepte simple cum ar fi “numărul” liniilor de câmp printr-o suprafață. Aceste concepte pot fi repede “traduse” în forma lor matematică. De exemplu, numărul de linii de câmp printr-o anumită suprafață este o integrală de suprafață a câmpului magnetic.
(Direcția liniilor câmpului magnetic reprezentată de alinierea piliturii de fier presărată pe hârtie așezată deasupra unui magnet bară.)
Diferitele fenomene au efectul de a “afișa” linii de câmp magnetic ca și cum liniile de câmp ar fi fenomene fizice. De exemplu, pilitura de fier plasată într-un câmp magnetic formează linii care corespund liniilor de câmp. Câmpurile magnetice sunt de asemenea afișate vizual în aurora polară, în care interacțiunile dipol ale particulelor plasmatice creează dungi vizibile de lumină care se aliniază direcției locale a câmpului magnetic al Pământului.
Liniile de câmp pot fi utilizate ca un instrument calitativ pentru a vizualiza forțele magnetice. În substanțele feromagnetice precum fierul și plasmele, forțele magnetice pot fi înțelese imaginându-se că liniile de câmp exercită o tensiune (ca o bandă de cauciuc) de-a lungul lungimii lor și o presiune perpendiculară pe lungimea lor pe liniile de câmp vecine. Polii magneților ”de sens opus” se atrag deoarece sunt legați de mai multe linii de câmp; polii ”de același sens” se resping, pentru că liniile lor de câmp nu se întâlnesc, ci se sunt paralele, împingându-se unele pe altele. Forma riguroasă a acestui concept este tensorul electromagnetic energie-stres.
Lasă un răspuns