Напряжённость магнитного поля¶

Напряжённость магнитного поля — векторная физическая величина, характеризующая силовое действие магнитного поля на токи или намагниченные тела; одна из основных характеристик магнитного поля наряду с магнитной индукцией. В СИ обозначается буквой H и измеряется в амперах на метр (А/м). В русскоязычной физической традиции термин «напряжённость магнитного поля» употребляется преимущественно для обозначения величины H, тогда как в англоязычной литературе аналогичный термин magnetic field strength также относится к H, а величина B называется magnetic flux density.

¶Определение и единицы измерения

Напряжённость магнитного поля H связана с магнитной индукцией B соотношением:

B = μ₀ (H + M),

где μ₀ — магнитная проницаемость вакуума (μ₀ = 4π × 10⁻⁷ Гн/м), M — намагниченность среды. В вакууме и в линейных изотропных средах при M = 0 или при учёте полной намагниченности часто используется упрощённая форма B = μ₀ μ H, где μ — относительная магнитная проницаемость среды.

В системе СИ единица H — ампер на метр. В старой СГС-системе напряжённость измерялась в эрстедах (Оэ); 1 А/м = 4π × 10⁻³ Оэ ≈ 0,0126 Оэ.

¶Физический смысл

H описывает силу, с которой магнитное поле действует на пробный элемент тока. В отличие от магнитной индукции B, которая определяет силу Лоренца на движущийся заряд, напряжённость H удобна для описания поля, создаваемого свободными токами и намагниченными телами, поскольку не зависит от свойств среды (в отличие от B).

Напряжённость H является векторной величиной: её направление совпадает с касательной к линиям магнитного поля в данной точке. Полное магнитное поле в точке — суперпозиция напряжённостей всех источников: постоянных токов, переменных токов, намагниченных тел, токов смещения.

¶Напряжённость поля прямого тока

Для прямого проводника с током I напряжённость магнитного поля на расстоянии r от проводника определяется законом Био — Савара — Лапласа, который для симметричных случаев даёт замкнутые выражения:

• Прямой проводник: H = I / (2πr) — линии поля образуют окружности вокруг проводника.
• Соленоид (длина l, число витков N): H = NI / l — внутри длинного соленоида поле однородно.
• Тороид (средний радиус R, число витков N): H = NI / (2πR) — поле сосредоточено внутри тороида.
• Круговой виток в центре: H = I / (2R), где R — радиус витка.

¶Напряжённость поля Земли

Земной магнитный диполь создаёт на поверхности планеты напряжённость порядка 24—66 А/м (что соответствует магнитной индукции примерно 30—60 мкТл). Максимальные значения характерны для магнитных полюсов, минимальные — для экваториальных областей. Напряжённость земного магнитного поля используется в навигации (компас), при изучении магнитных аномалий и в геофизических методах разведки.

¶Измерение

Напряжённость магнитного поля измеряют с помощью:

• Тангенс-магнитометров — по углу отклонения стрелки компаса.
• Феррозондовых магнитометров — по изменению магнитного сопротивления ферромагнитного стержня.
• ЯМР-магнитометров — по частоте ядерного магнитного резонанса пробы.
• Сквантовых магнитометров — по смещению уровней энергии атомов в магнитном поле.

В лабораторных условиях для точных измерений H применяют метод соленоида с известным током, а также магнитометры Холла (измеряющие B, из которого вычисляется H).

¶Применение

Напряжённость магнитного поля учитывается при проектировании электрических машин и трансформаторов (в магнитопроводах), в медицине (магнитно-резонансная томография работает при H порядка 10⁴—10⁵ А/м, что соответствует индукции 1,5—3 Тл), в геофизике, в астрофизике (измерение полей звёзд и планет), в промышленной дефектоскопии.

Предельно допустимые уровни воздействия магнитного поля на человека регламентируются санитарными нормами; в частности, в России действуют нормативы СанПиН, ограничивающие напряжённость H переменного поля промышленной частоты на рабочих местах.

¶История

Понятие напряжённости магнитного поля было введено в XIX веке в связи с разработкой электродинамики. Джеймс Клерк Максвелл в своих «Трактате об электричестве и магнетизме» (1873) использовал величину H для описания магнитного поля, создаваемого токами, отделив её от магнитной индукции B, вводимой через силу Лоренца. В русской физической школе термин «напряжённость магнитного поля» закрепился в работах А. Г. Столетова и его последователей.

¶Источники

• Трофимова Т. И. Курс общей физики. — М.: Высшая школа.
• Савельев И. В. Курс общей физики. — М.: АСТ.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том II. Электричество. — М.: Физматлит.
• Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме.
• ГОСТ 8.370—2022. Государственная система обеспечения единства измерений. Напряжённость магнитного поля.