Вакуумная проницаемость - Vacuum permeability

Вакуумная проницаемость - это магнитная проницаемость в классическом вакууме . Проницаемость вакуума получается из создания магнитного поля электрическим током или движущимся электрическим зарядом и во всех других формулах для создания магнитного поля в вакууме. После переопределения единиц СИ в 2019 году проницаемость вакуума μ 0 больше не является определенной константой (в соответствии с прежним определением ампера СИ ), а должна определяться экспериментально.

Значение в единицах СИ по CODATA 2018 приведено ниже. Он просто пропорционален безразмерной постоянной тонкой структуры , без каких-либо других зависимостей.

μ 0 =1,256 637 062 12 (19) × 10 −6  Гн / м

До этого, в эталонной среде классического вакуума , μ 0 имела точное определенное значение:

μ 0 =× 10 −7  Гн / м =1,256 637 0614× 10 −6  N / A 2 (1 генри на метр ≡ ньютон на квадратный ампер)

Физическая константа μ 0 , (объявленная «му нуля» или «му нуля») обычно называют вакуумной проницаемостью. В качестве альтернативы это можно назвать проницаемостью свободного пространства, проницаемостью вакуума или магнитной постоянной.

Вакуумная проницаемость, определяемая амперами

Два тонких, прямых, неподвижных, параллельных провода на расстоянии r друг от друга в свободном пространстве , по каждому из которых протекает ток I , будут оказывать друг на друга силу. Согласно силовому закону Ампера, магнитная сила F m на длину L определяется выражением

Это определение, принятое в 1948 году, позволяло зафиксировать магнитную постоянную (проницаемость вакуума) на точном уровне. 4 π × 10 −7  Гн / м . В качестве дополнительной иллюстрации: ампер был тем постоянным током, который, если его поддерживать в двух прямых параллельных проводниках бесконечной длины, с незначительным круглым поперечным сечением и помещать на расстоянии 1 метра в вакууме, создавал бы между этими проводниками силу, равную2 × 10 -7 ньютон на метр длины.

В системе СИ, вступившей в силу в 2019 году, это значение определяется экспериментально; 4 π  × 1.000 000 000 55 (15) × 10 −7  Гм · м −1 - это недавно измеренное значение в новой системе.

Терминология

Организации по стандартизации недавно перешли на использование магнитной константы в качестве предпочтительного названия для μ 0 , хотя старое название продолжает указываться как синоним. Исторически константа μ 0 имела разные названия. В Красной книге IUPAP 1987 г. , например, эта константа все еще называлась проницаемостью вакуума . Другой, теперь довольно редкий и устаревший термин - « магнитная проницаемость вакуума ». См., Например, Servant et al. Термин «вакуумная проницаемость» (и его разновидности, такие как «проницаемость свободного пространства») остается очень распространенным.

Название «магнитная постоянная» использовалось организациями по стандартизации, чтобы избежать использования терминов «проницаемость» и «вакуум», которые имеют физическое значение. Это изменение предпочтительного названия было сделано потому, что μ 0 было определенным значением, а не результатом экспериментального измерения (см. Ниже). В новой системе SI проницаемость вакуума больше не имеет определенного значения, а является измеряемой величиной с неопределенностью, связанной с неопределенностью (измеренной) безразмерной постоянной тонкой структуры.

Системы единиц и историческое происхождение значения μ 0

В принципе, существует несколько систем уравнений, которые можно использовать для создания системы электрических величин и единиц. С конца 19 века фундаментальные определения текущих единиц были связаны с определениями единиц массы, длины и времени с использованием закона силы Ампера . Однако точный способ, которым это «официально» было сделано, много раз менялся по мере развития методов измерения и мышления по данной теме. Общая история единицы электрического тока и связанного с ней вопроса о том, как определить систему уравнений для описания электромагнитных явлений, очень сложна. Вкратце, основная причина, по которой μ 0 имеет такое значение, заключается в следующем.

Силовой закон Ампера описывает экспериментально полученный факт, что для двух тонких, прямых, неподвижных, параллельных проводов на расстоянии r друг от друга, в каждом из которых протекает ток I , сила на единицу длины, F м / L , что один провод воздействует на другого в вакууме свободного пространства, было бы дано

Запись константы пропорциональности в виде k m дает

Необходимо выбрать форму k m, чтобы составить систему уравнений, а затем необходимо присвоить значение, чтобы определить единицу измерения тока.

В старой "электромагнитной (emu)" системе уравнений, определенной в конце 19 века, k m было выбрано как чистое число, 2, расстояние измерялось в сантиметрах, сила измерялась в дине единицы cgs , а токи определялись по этому уравнению были измерены в «электромагнитных единицах (emu) тока» (также называемых « abampere »). Практическая единица измерения, которую использовали электрики и инженеры, - ампер, - была определена как одна десятая электромагнитной единицы тока.

В другой системе, то «рационализировать метр-килограмм-вторых (rmks) система» (или в качестве альтернативы «метр-килограмм-вторых-амперные (MKSA) система»), к м записывается в виде μ 0 /2 П , где μ 0 постоянная измерительной системы, называемая «магнитной постоянной». Значение μ 0 было выбрано таким, чтобы единица измерения тока rmks была равна по размеру амперу в системе эму: μ 0 было определено как 4 π × 10 -7 Гн / м .

Исторически несколько разных систем (включая две описанные выше) использовались одновременно. В частности, физики и инженеры использовали разные системы, а физики использовали три разные системы для разных частей теории физики и четвертую другую систему (систему инженеров) для лабораторных экспериментов. В 1948 году организации по стандартизации приняли международные решения о принятии системы RMKS и связанного с ней набора электрических величин и единиц в качестве единой основной международной системы для описания электромагнитных явлений в Международной системе единиц .

Закон Ампера, как указано выше, описывает физическое свойство мира. Однако выбор формы k m и значения μ 0 является полностью человеческим решением, принимаемым международными органами, состоящими из представителей национальных организаций по стандартизации всех стран-участниц. Параметр μ 0 - это постоянная измерительной системы, а не физическая константа, которую можно измерить. Он ни в каком значимом смысле не описывает физическое свойство вакуума. Вот почему соответствующие организации по стандартизации предпочитают название «магнитная постоянная», а не любое название, которое несет скрытый и вводящий в заблуждение смысл, что μ 0 описывает какое-то физическое свойство.

Значение в электромагнетизме

Магнитная постоянная μ 0 появляется в уравнениях Максвелла , которые описывают свойства электрического и магнитного полей и электромагнитного излучения и связывают их с их источниками. В частности, оно проявляется в отношении таких величин, как проницаемость и плотность намагничивания , таких как соотношение, которое определяет магнитное H- поле в терминах магнитного B- поля. В реальных СМИ эта связь имеет вид:

где M - плотность намагниченности. В вакууме , М = 0.

В Международной системе величин (КСИ), на скорости света в вакууме, с , связана с магнитной проницаемости и электрической постоянной (вакуум диэлектрической проницаемости) , ε 0 , по формуле:

Это соотношение может быть получено с помощью уравнений Максвелла классического электромагнетизма в среде классического вакуума , но это соотношение используется МБАМИ (Международное бюро мер и весов) и NIST (Национальный институт стандартов и технологий) как определение о х 0 в условия определенных числовых значений для c и μ 0 , и не представляется как производный результат, зависящий от действительности уравнений Максвелла.

И наоборот, так как диэлектрическая проницаемость связана с постоянной тонкой структуры ( ), проницаемость может быть получена из последних (используя постоянную Планка , час , и элементарный заряд , е ):

В новых единицах СИ только постоянная тонкой структуры является измеренным значением в единицах СИ в выражении справа, поскольку остальные константы имеют определенные значения в единицах СИ.

Смотрите также

Заметки

Рекомендации