Магнитно поле: определение, свойства и приложение в електромагнетизма

Магнитно поле: ясно определение, ключови свойства и практични приложения в електромагнетизма — теория, измерване (Тесла/Гаус) и примери за използване.

Автор: Leandro Alegsa

19-12-2025 19:39

Магнитното поле е областта около магнит, в която има магнитна сила. Движещите се електрически заряди могат да създават магнитни полета. Магнитните полета обикновено се виждат по линиите на магнитния поток. По всяко време посоката на магнитното поле се показва от посоката на линиите на магнитния поток. Силата на магнита е свързана с пространствата между линиите на магнитния поток. Колкото по-близо са линиите на магнитния поток една до друга, толкова по-силен е магнитът. Колкото по-далеч са те, толкова по-слаби са. Линиите на магнитния поток могат да се видят, като се поставят железни стърготини върху магнит. Железните стърготини се движат и се подреждат в линиите. Магнитните полета дават енергия на други частици, които се докосват до магнитното поле.

Във физиката магнитното поле е поле, което преминава през пространството и което предизвиква магнитна сила, движеща електрическите заряди и магнитните диполи. Магнитните полета са около електрическите токове, магнитните диполи и променящите се електрически полета.

Когато са поставени в магнитно поле, магнитните диполи са в една линия, като осите им са успоредни на линиите на полето, както може да се види, когато железните стърготини са в присъствието на магнит. Магнитните полета също така притежават собствена енергия и импулс, като плътността на енергията е пропорционална на квадрата на интензитета на полето. Магнитното поле се измерва в единици тесла (единици по SI) или гаус (единици по Cgs).

Съществуват някои забележителни видове магнитно поле. За физиката на магнитните материали вижте магнетизъм и магнит, и по-конкретно диамагнетизъм. За магнитните полета, създадени чрез промяна на електрическите полета, вижте електромагнетизъм.

Електрическото и магнитното поле са компоненти на електромагнитното поле.

Законът за електромагнетизма е създаден от Майкъл Фарадей.

Как се описва магнитното поле

Магнитното поле се обозначава обикновено с векторната величина B (наричана магнитна индукция или магнитен поток плътност). На микроскопично ниво то възниква от движението на електрически заряди и от магнитните диполи (например спиновете и орбиталните моменти на електроните). Макроскопски, магнитните полета около постояннотокови проводници се описват от закона на Биот–Савар и от закона на Ампер (във формата на уравненията на Максуел).

Променящите се електрически полета и променящите се магнитни полета са свързани чрез уравненията на Максуел. В практиката най-често използвани изрази са:

Лоренцовата сила върху точков заряд: F = q (v × B), където q е зарядът, v е скоростта, а B е магнитната индукция. Тази сила е перпендикулярна както на скоростта, така и на полето и поради това променя посоката на движение, но не извършва работа върху точков заряд (ако полето е постоянно и не прави работа по промяна на кинетичната енергия по посока на движение).
Сила върху проводник с ток: dF = I (dl × B), където I е токът, а dl е елемент от дължината на проводника.
Плътност на енергията на магнитното поле във вакуум: u = B² / (2 μ0), където μ0 е магнитната проницаемост на вакуума (μ0 ≈ 4π·10⁻⁷ H/m).

Свойства на магнитните полета

Линиите на магнитния поток са затворени криви; извън магнитните материали те извеждат от северния полюс на магнит към южния отвън и се затварят обратно през вътрешността на магнита.
Магнитни монополи (единични северни или южни полюси) не са наблюдавани в природата; до момента всички известни магнитни полета ги образуват диполи или токове.
Интензитетът на полето намалява с разстоянието от източника (например полето от магнитен дипол намалява пропорционално на 1/r³ в далечната полева област).
Материалите реагират различно: феромагнитните материали (напр. желязо) могат да се намагнитят силно, парамагнитните се намагнитват слабо в полето, а диамагнитните показват противоположна (слаб) отдръпваща реакция.

Измерване и единици

Основната единица за магнитно поле в SI е тесла (T). В системата CGS традиционно се използва гаус (G): 1 T = 10 000 G. За магнитен поток се използва вебер (Wb), а за магнитна проницаемост — хенри на метър (H/m) за μ0. За практическо измерване се използват прибори като холов сензор (Hall датчик), магнитометри, SQUID (сверхпроводникови квантови интерференционни устройства) и др.

Приложения на магнитните полета

Магнитните полета имат множество практични приложения в науката, техниката и ежедневието. Някои важни примери:

Електрически двигатели и генератори — преобразуват електрическа енергия в механична и обратно чрез взаимодействие с магнитни полета.
Трансформатори и индуктивни елементи — използват променящи се магнитни полета за пренос на енергия и управление на токове.
Магнитно-резонансна томография (MRI) — медицинско изображение, базирано на силни магнитни полета и радиоимпулси.
Маглев влакове — използват магнитна левитация за безконтактен транспорт.
Спийкъри, микрофони и електромагнитни релета — преобразуват електрически сигнали и механични движения чрез магнитни полета.
Магнитно запаметяване (твърди дискове, магнитни ленти) — използват локални магнитни полета за съхранение на информация.
Научни инструменти — ускорители на частици, детектори и спектрометри използват силни полета за управление и анализ на частици.

Наблюдения и експерименти

Лесен експеримент за визуализиране на магнитните полета е разпръскване на желязни стърготини върху хартия над магнит (вж. горе). За по-прецизни измервания се използват специализирани датчици. Земното магнитно поле служи за ориентация (компас) и има интензитет от порядъка на десетки μT (микротесла).

Кратка историческа справка

Много явления свързани с магнетизма са известни от древността. През 19-ти век Майкъл Фарадей открива явлението индукция — че променящо се магнитно поле индуцира електрическо напрежение. По-късно Джеймс Кларк Максуел систематизира законите на електричеството и магнетизма в своите уравнения, които обединяват електрическото и магнитното поле в единна теория — електромагнетизма.

За по-задълбочено изучаване вижте разделите за електромагнетизъм, магнетизъм и физиката на материалите.

H-поле

Физиците могат да кажат, че силата и въртящият момент между два магнита се дължат на отблъскването или привличането на магнитните полюси. Това е като силата на Кулон, която отблъсква еднакви електрически заряди или привлича противоположни електрически заряди. В този модел магнитното Н-поле се създава от магнитни заряди, които са "размазани" около всеки полюс. Така че H-полето е като електрическото поле E, което започва от положителен електрически заряд и завършва при отрицателен електрически заряд. В близост до северния полюс всички линии на H-полето сочат встрани от северния полюс (независимо дали са вътре в магнита или извън него), докато в близост до южния полюс (независимо дали са вътре в магнита или извън него) всички линии на H-полето сочат към южния полюс. Следователно северният полюс изпитва сила по посока на Н-полето, докато силата върху южния полюс е противоположна на Н-полето.

В модела на магнитните полюси елементарният магнитен дипол m се образува от два противоположни магнитни полюса с полюсна сила qm, разделени на много малко разстояние d, така че m = qm d.

За съжаление магнитните полюси не могат да съществуват отделно един от друг. Всички магнити имат двойки север/юг, които не могат да бъдат разделени, без да се създадат два магнита, всеки от които има двойка север/юг. Освен това магнитните полюси не отчитат магнетизма, който се създава от електрическите токове, нито силата, която магнитното поле прилага върху движещите се електрически заряди.

Моделът на магнитните полюси : два противоположни полюса, северен (+) и южен (-), разделени на разстояние d, създават H-поле (линии).

H-поле и магнитни материали

$Н-полето се определя като$ :

H ≡ B μ 0 - M , {\displaystyle \mathbf {H} \ \equiv \ {\frac {\mathbf {B} }{\му _{0}}}-\mathbf {M} ,} $\mathbf {H} \ \equiv \ {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} ,$ (определение на $H$ в единици SI)

С тази дефиниция законът на Ампер става:

∮ 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} }} $\oint \mathbf {H} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}=\oint \left({\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} \right)\cdot d{\boldsymbol {\ell }}=I_{\mathrm {tot} }-I_{\mathrm {b} }=I_{\mathrm {f} }$

където $If$ представлява "свободния ток", затворен в контура, така че линейният интеграл на $H изобщо$ не зависи от свързаните токове. За диференциалния еквивалент на това уравнение вижте уравненията на Максуел. Законът на Ампер води до граничното условие:

H 1 , ∥ - H 2 , ∥ = K f , {\displaystyle H_{1,\parallel }-H_{2,\parallel }=\mathbf {K} _{\text{f}},} $H_{1,\parallel }-H_{2,\parallel }=\mathbf {K} _{\text{f}},$

където $Kf$ е повърхностната плътност на свободния ток.

По подобен начин повърхностният интеграл на $H$ върху която и да е затворена повърхност не зависи от свободните токове и определя "магнитните заряди" в тази затворена повърхност:

∮ 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},} $\oint _{S}\mu _{0}\mathbf {H} \cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =\oint _{S}(\mathbf {B} -\mu _{0}\mathbf {M} )\cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =(0-(-q_{M}))=q_{M},$

която не зависи от свободните токове.

Следователно $Н-полето$ може да бъде разделено на две независими части:

H = H 0 + H d , {\displaystyle \mathbf {H} =\mathbf {H} _{0}+\mathbf {H} _{d},\,} $\mathbf {H} =\mathbf {H} _{0}+\mathbf {H} _{d},\,$

където $H0$ е приложеното магнитно поле, дължащо се само на свободните токове, а $Hd$ е размагнитващото поле, дължащо се само на свързаните токове.

Следователно магнитното $Н-поле$ преобразува свързания ток в "магнитни заряди". Линиите на Н-полето зациклят само около "свободния ток" и за разлика от магнитното поле $B$ започват и свършват в близост до магнитните полюси.

Свързани страници

Въпроси и отговори

Въпрос: Какво представлява магнитното поле?

О: Магнитното поле е област около магнит, в която има магнитна сила, създадена от движещи се електрически заряди.

В: Как може да се определи силата на магнита?

О: Силата на магнита може да се определи, като се погледне пространството между линиите на магнитния поток - колкото по-близо са те, толкова по-силен е магнитът.

В: Какво се случва, когато частици се докоснат до магнитно поле?

О: Когато частиците се докоснат до магнитно поле, те получават енергия от него.

В: Какво означава нещо да има собствена енергия и импулс?

О: Да има собствена енергия и импулс означава, че нещо има свои собствени свойства, които му позволяват да се движи или да действа независимо от други обекти или сили.

В: Как се измерва силата на магнитното поле?

О: Силата на магнитното поле се измерва в единици тесла (единици по SI) или гаус (единици по Cgs).

В: Кой е създал закона за електромагнетизма?

О: Майкъл Фарадей основава закона за електромагнетизма.

В: Какво се случва, когато железни стърготини се поставят близо до магнит?

О: Когато железни стърготини се поставят близо до магнит, те се движат и се подреждат в линии на потока, които показват посоката и силата на магнитното поле.

обискирам