Это щепетильное число определяет силу магнитных полей. Оно присутствует во всём: от двигателей и генераторов до аудиосистем. Ах да, и без него мы бы жили в вечной тьме.
В физике мыСуществует множество констант, которые используются в моделях для объяснения устройства мира. Это фиксированные числа, которые мы подставляем в уравнения вместе с переменными. Например, постоянная всемирного тяготения используется для прогнозирования движения любого падающего объекта. Она равна G = 6,6743 × 10−11 м³ / кг⋅с² .
Что странно в этих константах, так это то, что они имеют очень точные значения, которые кажутся довольно случайными. Почему 6,6743, а не 6,6744? Мы знаем лишь, что они работают. Они не выведены теоретически, а просто измерены, и точность их постоянно растёт по мере совершенствования наших приборов.
На прошлой неделе я рассказывал об электрической постоянной , также довольно причудливо называемой «диэлектрической проницаемостью свободного пространства». Она определяет (помимо прочего), как электроны и протоны взаимодействуют, образуя молекулы, — а это довольно важно для существования жизни, Вселенной и, знаете ли, всего остального.
Сегодня мы рассмотрим магнитную постоянную, или проницаемость вакуума. Она определяет напряжённость магнитных полей в вакууме (и, соответственно, в воздухе). Это тоже довольно важный фактор. Во-первых, без магнитных полей во Вселенной не было бы света, поскольку свет — это электромагнитное излучение.
На самом деле, электрические и магнитные силы неразрывно связаны, и люди научились использовать это взаимодействие для самых разных целей, например, для питания электродвигателей и генерации электроэнергии. Давайте посмотрим, как это работает!
Сначала я должен признаться. Я сказал, что значения констант измеряются, а не выводятся. Это не всегда верно. Например, скорость света ( c ) считается фундаментальной константой, но она связана с электрической ( ε0 ) и магнитной ( μ0 ) постоянными — диэлектрической и магнитной проницаемостями вакуума, — как показано в следующем уравнении:
Это означает, что эти три значения не могут быть независимыми; зная два из них, можно вывести третье. Как физики с этим справляются? Мы определяем скорость света как ровно 299 792 458 метров в секунду. (Откуда мы знаем эту точность? Потому что мы определяем метр как расстояние, которое свет проходит за 1/299 792 458 секунды.) Затем мы измеряем магнитную постоянную ( μ 0 ) и используем это значение вместе со скоростью света для расчета электрической постоянной ( ε 0 ).
Возможно, это кажется обманом, но чтобы начать заниматься настоящей наукой, в какой-то момент нам приходится вводить произвольные единицы и определять некоторые параметры. На самом деле, если разобраться, все системы измерений вымышлены, как и все слова.
Проницаемость свободного пространства
Магнитные поля (обозначенные символом B ) могут создаваться магнитами, как показано на фотографии выше. Но благодаря этой взаимозависимости, о которой мы говорили, их также можно создавать движущимися электрическими зарядами. (Я использую сокращенный термин «заряды» для обозначения заряженных частиц, таких как электроны.) Это описывается законом Био-Савара:
Здесь вы видите магнитную постоянную ( μ0 ). Также у нас есть значение электрического заряда ( q ) , движущегося с определённой скоростью ( v ). Это означает, что магнитное поле увеличивается с ростом электрического заряда и уменьшается с увеличением расстояния ( r ) от движущегося заряда, а магнитная постоянная точно показывает, насколько сильно оно меняется.
Конечно, мы нечасто имеем дело с отдельными движущимися электронами. Но с потоками движущихся электронов мы имеем дело постоянно: это электрический ток, который мы можем измерить. Если нам известен заряд частиц в кулонах, то количество кулонов, протекающих в секунду, даёт нам силу тока ( I ) в амперах. И мы можем записать вышеприведённое уравнение для тока: B = μ 0 I/(2πr).
Это говорит нам о том, что электрический ток создаёт магнитное поле . Это используется во всевозможных машинах. Например, это электромагниты, в которых магнитное поле можно включать и выключать для перемещения металлических предметов на заводах и свалках. Аналогичным образом динамики создают звук: электрический сигнал вызывает вибрацию магнитного драйвера, который создаёт волны давления в воздухе.
Магнитные поля также влияют на электрический ток . Именно так работают двигатели. Ток протекает по катушке с проволокой в магнитном поле, которое обычно создаётся постоянными магнитами. Сила, действующая на катушку с проволокой, заставляет её вращаться, и это ваш двигатель. Это может быть двигатель вентилятора, часть компрессора кондиционера или главный привод электромобиля.
Подождите! Это ещё не всё. Так же, как изменяющееся электрическое поле создаёт магнитное поле, изменяющееся магнитное поле создаёт электрическое поле , которое, в свою очередь, создаёт электрический ток. Именно так генерируется большая часть нашей энергии. Какой-либо источник энергии — пар, ветер, движущаяся вода и т.д. — вращает турбину, которая, в свою очередь, вращает катушку в магнитном поле. Изменяющийся магнитный поток индуцирует напряжение в катушке, преобразуя механическую энергию в электрическую, которую можно передать в ваш дом.
Измерение магнитной постоянной
Как измерить μ0 ? Один из методов основан на так называемом балансе токов. В простейшем варианте используются два параллельных провода, по которым в противоположных направлениях течёт электрический ток ( I ) , как показано на схеме ниже. Затем два провода подвешиваются на нитях так, чтобы они могли раздвигаться, вот так:
Ток в каждом проводе создаёт магнитное поле в месте расположения другого провода, которое раздвигает их. По мере удаления магнитная сила уменьшается, а горизонтальная составляющая натяжения поддерживающей нити увеличивается (из-за изменения угла). Когда эти две силы становятся равными, провода «уравновешиваются».
Зная силу электрического тока и расстояние между проводами ( r ), можно определить магнитную постоянную μ0 . Затем , как мы показали выше, можно использовать это значение вместе с определённой скоростью света для вычисления электрической постоянной ε0 .
Итак, в целом, можно сказать, что магнитная постоянная весьма важна. Кстати, а что это за константа? Согласно Международному комитету мер и весов, μ0 = 1,256637061272 × 10⁻² . Ни больше, ни меньше .
