Przepuszczalność próżni - Vacuum permeability

Przepuszczalność próżniowa to przenikalność magnetyczna w klasycznej próżni . Przepuszczalność próżni wywodzi się z wytwarzania pola magnetycznego przez prąd elektryczny lub poruszający się ładunek elektryczny oraz we wszystkich innych wzorach wytwarzania pola magnetycznego w próżni. Od czasu redefinicji jednostek SI w 2019 r. przepuszczalność próżni μ 0 nie jest już określoną stałą (zgodnie z poprzednią definicją ampera SI ), ale należy ją określić eksperymentalnie.

Wartość w jednostkach SI według CODATA 2018 podana jest poniżej. Jest po prostu proporcjonalna do bezwymiarowej stałej struktury drobnej , bez innych zależności.

μ 0 =1,256 637 062 12 (19) x 10 -6  H / m

Przed tym, w środowisku odniesienia klasycznej próżni , μ 0 miał dokładnie określoną wartość:

μ 0 =× 10 -7  H/m =1,256 637 0614 ... x 10 -6  N / A 2 (1 Henry metr ≡ Newtonów na placu amper)

Fizyczne stałe μ 0 (wymawiane „ul naught” lub „mu zero”) jest powszechnie nazywany przenikalność próżni. Alternatywnie można ją nazwać przepuszczalnością wolnej przestrzeni, przepuszczalnością próżni lub stałą magnetyczną.

Przepuszczalność próżni zdefiniowana w amperach

Dwa cienkie, proste, nieruchome, równoległe druty, w odległości r od siebie w wolnej przestrzeni , każdy przenoszący prąd I , będą wywierać na siebie siłę. Prawo siły Ampère'a mówi, że siła magnetyczna F m na długość L jest dana wzorem

Przyjęta w 1948 r. ta definicja miała dokładnie ustalić stałą magnetyczną (przepuszczalność próżni) 4 π x 10 -7  H / m . Aby dalej zilustrować: amper był tym stałym prądem, który, gdyby był utrzymywany w dwóch prostych równoległych przewodach o nieskończonej długości, o znikomym przekroju kołowym i umieszczony w odległości 1 metra od siebie w próżni, wytworzyłby między tymi przewodami siłę równą2 x 10 -7 Newtonów na metr długości.

W układzie SI, który wszedł w życie w 2019 r., wartość tę wyznacza się eksperymentalnie; 4 π  × 1.000 000 000 55 (15) × 10 -7  H⋅m -1 to ostatnio zmierzona wartość w nowym systemie.

Terminologia

Organizacje normalizacyjne niedawno przeszły na stałą magnetyczną jako preferowaną nazwę μ 0 , chociaż starsza nazwa nadal jest wymieniana jako synonim. Historycznie stała μ 0 miała różne nazwy. Na przykład w czerwonej książce IUPAP z 1987 r. ta stała wciąż nazywana była przepuszczalnością próżni . Innym, obecnie dość rzadkim i przestarzałym terminem jest „ przenikalność magnetyczna próżni ”. Zobacz na przykład Servant i in. Termin „przepuszczalność próżni” (i jego odmiany, takie jak „przepuszczalność wolnej przestrzeni”) pozostaje bardzo rozpowszechniony.

Nazwa „stała magnetyczna” została użyta przez organizacje normalizacyjne, aby uniknąć używania terminów „przepuszczalność” i „próżnia”, które mają znaczenie fizyczne. Ta zmiana taka nazwa została wykonana ponieważ μ 0 była określona wartość, i nie jest wynikiem pomiaru eksperymentalnej (patrz poniżej). W nowym układzie SI przepuszczalność próżni nie ma już określonej wartości, ale jest wielkością mierzoną, z niepewnością związaną z (mierzoną) bezwymiarową stałą struktury drobnej.

Układy jednostek i historyczne pochodzenie wartości μ 0

W zasadzie istnieje kilka układów równań, które można wykorzystać do utworzenia układu wielkości i jednostek elektrycznych. Od końca XIX wieku podstawowe definicje bieżących jednostek wiązano z definicjami jednostek masy, długości i czasu za pomocą prawa Ampère'a . Jednak dokładny sposób, w jaki zostało to „oficjalnie” wykonane, zmieniał się wielokrotnie, w miarę rozwoju technik pomiarowych i myślenia na ten temat. Ogólna historia jednostki prądu elektrycznego i związana z nią kwestia zdefiniowania zestawu równań opisujących zjawiska elektromagnetyczne jest bardzo skomplikowana. Krótko mówiąc, podstawowy powód, dla którego μ 0 ma taką wartość, jest następujący.

Prawa siły Ampera opisano fakt doświadczalnie pochodnych, które, z dwóch cienkich, prosty stacjonarnych, równoległych drutów, w odległości r od siebie, w każdym z których prąd I płynie siła na jednostkę długości, F m / l , że przynajmniej jeden drut wywiera wpływ na drugą w próżni wolnej przestrzeni byłby dany przez

Zapisanie stałej proporcjonalności jako k m daje

Aby utworzyć układ równań, należy wybrać postać k m , a następnie przydzielić wartość, aby określić jednostkę prądu.

W starej „elektromagnetycznego (emu)” układ równań określonych w koniec 19 wieku, k m wybrano jako czysty numer 2, odległość mierzy się w cm, siła mierzono CGS jednostkę dyn a prądy zdefiniowane według tego równania były mierzone w „jednostce elektromagnetycznej (emu) prądu” (zwanej również „ abampere ”). Praktyczną jednostkę używaną przez elektryków i inżynierów, amper, zdefiniowano wówczas jako równą jednej dziesiątej jednostki elektromagnetycznej prądu.

W innym systemie, "zracjonalizować metrów kg sekund (rmks) System" (lub zamiennie "Licznik-kilo-drugiej amper (mksa) System") k m opisana jako μ 0 /2 Õ gdzie μ 0 jest stałą systemu pomiarowego zwaną „stałą magnetyczną”. Wartość ľ 0 została tak dobrana, że rmks urządzenie prądu jest taka sama jak w ampera w systemie emu: μ 0 została zdefiniowana jako 4 π x 10 -7 H / m .

Historycznie kilka różnych systemów (w tym dwa opisane powyżej) było używanych jednocześnie. W szczególności fizycy i inżynierowie używali różnych systemów, a fizycy używali trzech różnych systemów do różnych części teorii fizyki i czwartego innego systemu (system inżynierów) do eksperymentów laboratoryjnych. W 1948 r. organizacje normalizacyjne podjęły międzynarodowe decyzje o przyjęciu systemu rmks i związanego z nim zbioru wielkości elektrycznych i jednostek jako jednego głównego międzynarodowego systemu opisu zjawisk elektromagnetycznych w Międzynarodowym Układzie Jednostek .

Jak wspomniano powyżej, prawo Ampère'a opisuje fizyczną własność świata. Jednak wybory o postaci k m oraz wartość ľ 0 są całkowicie ludzkie decyzje, podejmowane przez organizacje międzynarodowe, składające się z przedstawicieli krajowych organizacji normalizacyjnych wszystkich krajów uczestniczących. Parametr μ 0 jest stałą systemu pomiarowego, a nie stałą fizyczną, którą można zmierzyć. W żadnym sensownym sensie nie opisuje fizycznej właściwości próżni. Dlatego odpowiednie organizacje normalizacyjne preferują nazwę „stała magnetyczna” zamiast jakiejkolwiek nazwy, która niesie za sobą ukrytą i mylącą implikację, że μ 0 opisuje jakąś właściwość fizyczną.

Znaczenie w elektromagnetyzmie

Stała magnetyczna μ 0 pojawia się w równaniach Maxwella , które opisują właściwości pól elektrycznych i magnetycznych oraz promieniowania elektromagnetycznego i wiążą je z ich źródłami. W szczególności wydaje się, w stosunku do ilości, takie jak przepuszczalność i magnetyzacji gęstości , na przykład związek, który określa magnetycznego H -field pod względem magnetycznym B -field. W realnych mediach ta relacja ma postać:

gdzie M jest gęstością namagnesowania. W próżni , M = 0.

W międzynarodowym układzie w ilościach (ISQ) z prędkością światła w próżni, c , odnosi się do stałej magnetycznego i stałej elektrycznego (przenikalność próżni) , ε 0 , według następującego równania:

Ta relacja może być uzyskane za pomocą równań Maxwella klasycznego elektromagnetyzmu w środowisku klasycznym próżni , ale zależność ta jest używana przez BIPM (Międzynarodowe Biuro Miar i Wag) i NIST (National Institute of Standards and Technology) w definicji z ε 0 w terminów określonych wartości liczbowych dla c i μ 0 , i nie jest przedstawiany jako wynik pochodny zależny od poprawności równań Maxwella.

I odwrotnie, ponieważ przenikalność elektryczna jest związana ze stałą struktury subtelnej ( ), przepuszczalność można wyprowadzić z tej ostatniej (stosując stałą Plancka , h i elementarny ładunek , e ):

W nowych jednostkach SI tylko stała struktury subtelnej jest wartością mierzoną w jednostkach SI w wyrażeniu po prawej stronie, ponieważ pozostałe stałe mają zdefiniowane wartości w jednostkach SI.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia