Магнетна константа

Физичката константа μ₀, која најчесто се нарекува вакуум пропустливост, пропустливост на празниот простор, пропустливост на вакуум, или магнетна константа, е идеална, (основна) физичка константа, што е вредноста на магнетната пропустливост во вакуум. Вакуум пропустливоста е добиена како производ на магнетното поле со електрична струја или со движење на електрично полнење и во сите други формули за произбодство на магнетни полиња во вакуум. Во појдовниот систем на вакуум, μ₀ е точно дефинирана вредност:^[1][2]

Како постојана, исто така може да се дефинира и како основно непроменливо количество, и е една од трите компоненти кои го дефинираат празен простор преку Максвеловите равенки. Во класичната физика, слободниот простор е концепт на електромагнетната теорија, што одговара на теоретски совршениот вакуум и понекогаш се нарекува вакуум на празен простор, или како класичен вакуум, и е соодветно да се гледа како референтен систем.^[3][4]

Амерот ја дефинира вакуум пропустливоста

 Ампер е постојаната струја која, ако се одржува во две директно паралелни проводници на бесконечна должина, на занемарлив кружен пресек, и се постави на растојание од  1 метар во вакуум, помеѓу овие проводници ќе произведе сила еднаква на 6993200000000000000♠имаат ист2×10⁻⁷ њутн по метар должина.

Усвоена во 1948 година, ефектот на оваа дефиниција е да се утврди магнетната константа (пропустливост на вакуум) во точно 4π×10−7Х/м. За да понатаму се илустрира:

Два тенки, прави, неподвижни, паралелни проводници, на растојание r освен во празен простор, секој носејќи ја моментната струја I, ќе употребат сила еден врз друг.

Амперот е дефиниран, така што жиците се на растојание од 1 м,и струјата во секоја жица е 1А, силата помеѓу двете жици е 2×10−7њутни. Оттука вредноста на μ₀ е дефинирана да биде токму^[5][6]

Терминологија

Стандардните Организации неодамна преминаа на магнетната константа како претпочитано име за μ₀, иако постарото име продолжува да се користи како синоним. Историски гледано, константата μ₀ имала различни имиња. Во 1987 IUPAP Црвена книга, на пример, оваа константа сè уште се нарекувала пропустливост на вакуум. Друг, сега прилично редок и застарен, е терминот "магнетна протективност на вакуум". Терминот "вакуум пропустливост" (и неговите варијации, како што е "пропустливост на празниот простор") останува многу распространет.

Името "магнетна константа" се користи од страна на стандарди организации, со цел да се избегне употребата на термините "пропустливост" и "вакуум", кои имаат физички значења. Оваа промена на приоритетното име е направена бидејќи μ₀ е дефинирана вредност, а не е резултат на експериментални мерења (види подолу).

Систем на единици и историско потекло на вредноста на μ0

Во принцип, постојат неколку системи на равенки кои може да се искористат за да се постави систем на електрични количини и единици.^[7] Од крајот на 19 век, основните дефиниции на тековните единици се поврзани со дефинициите на маса, должина и времето, со користење на Амперовата сила. Сепак, прецизниот начин на кој ова "официјално" е направено е сменет неколкупати, како што се развиваат техниките за мерење и размислување за темата. Целокупната историја на единицата на електрична струја, и на поврзаното прашањето како да се дефинира збир на равенки за опишување на електромагнетни појави, е многу комплицирана. Накратко, основната причина зошто μ₀ има вредност што ја прави е како што следува.

Амперовата сила како закон го опишува експериментално добиениот факт дека, за две тенки, правилни, неподвижни, паралелни проводници, на растојание r , од кои во секоја тече сопствена струја, силата по единица должина, F_m, која една жица ја врши врз другата во вакуум на празен простор ќе биде дадена од страна на

Пишувањето на константа на пропорционалност како к_m  дава:

Форма на к_м треба да биде избрана со цел да се постави систем на равенки, како и вредноста која треба да се распредели за да се дефинира единица на струјата.

Во стариот "електромагнетен (ему)" систем на равенки дефинирани во доцните 1800-тите, к_м е избран да биде бројот, 2, растојанието беше измерено во сантиметри, силата била измерена во сгс единицата Дин, и струите дефинирани од страна на оваа равенка беа измерени во "електромагнетната единица (ему) на тековните" (исто така наречена "abampere"). Практична единица што треба да се користи од страна на електричарите и инженерите, ампертот, тогаш беше дефиниран како една десетина од електромагнетната единица за струја.

Во друг систем, "рационализиран систем на метар–килограм–секунда(рмкс)" (или алтернативно на "метар–килограм–секунда–ампер систем"(мкса)), к_м е напишан како μ₀/2π, каде μ₀ е мерно-системска константа која се нарекува "магнетна константа". Вредноста на μ₀ беше избрана така што единицата на рмкс на струја е еднаква по големина на ампер во ему систем: μ₀ е дефинирано да биде 4π × 10−7Х/м.^[8]

Историски гледано, неколку различни системи (вклучувајќи ги и двете што се опишани погоре) биле во употреба истовремено. Особено, физичарите и инженерите користеле различни системи, физичарите користеле три различни системи за различни делови од физичката теорија и четврт систем (инженерскиот систем) за лабораториски експерименти. Во 1948 година, организациите за стандардизација ги донесоа меѓународните одлуки за усвојување на системот рмкс,како и поврзаниот збир на електрични количини и единици, како единствен главен меѓународен систем за опишување на електромагнетни појави во Меѓународниот Систем на Единици.

Амперовиот закон, како што е наведено погоре ја опишува физичката сопственост на светот. Сепак, изборот за форма на к_м и вредноста на μ₀ се целосно човечки одлуки, донесени од страна на меѓународните тела составени од претставници на националните организации за стандардизација на сите земји-членки. Параметарот μ₀ е константа на мерниот систем, а не физичка константа што може да се мери. Не опишува физички својства на вакуум.^[9] Ова е причината зошто релевантните организации за стандарди го претпочитаат името "магнетна константа",наместо секое име кое ги носи скриените и погрешни импликации дека μ₀ опишува некоја физичка особина.

Значење во електромагнетизмот

Магнетната константа μ₀ се појавува во Максвеловите равенки, кои ги опишуваат својствата на електричните и магнетнните полиња и електромагнетното зрачење, и се однесуваат на нивните извори. Особено, се појавува во однос на количините како пропустливост и густина на магнетизацијата, како што е односот што го дефинира магнетното Х-поле во однос на магнетното Б-поле. Во вистински систем, овој однос има форма:

${\displaystyle {\boldsymbol {H}}={{\boldsymbol {B}} \over \mu _{0}}-{\boldsymbol {M}},}$

каде M е густина на магнетизација. Во вакуум, M = 0. Во SI системот, брзината на светлината во вакуум, c,^[10] е поврзана со магнетната константа и електричната константа (вакуумска диелектричност), ε₀, по дефиниција:

${\displaystyle c={1 \over {\sqrt {\mu _{0}\varepsilon _{0}}}}.}$

Овој однос може да се изведе со помош на Максвеловите равенки на класичниот електромагнетизам во системот на класичниот вакуум, но овој однос го користи Меѓународното Биро за Тегови и Мерки и Националниот Институт за Стандарди и Технологија, како дефиниција на ε₀ во однос  на дефинирани бројчени вредности за c и μ₀, не е претставен како резултат добиен според валидноста на Максвеловите равенки.^[11] Спротивно на тоа, со оглед на тоа што пропустливоста е поврзана со константата на фината структура (${\displaystyle }$), пропустливоста може да се изведе од последното (со користење Планковата константа - х, и електричното полнење на еден електрон - e):

${\displaystyle \mu _{0}={\frac {2\alpha }{e^{2}}}{\frac {h}{c}}.}$

Вомеѓународниот систем на мерни единици тоа ќе биде дефинирано со константата на фината структура, и ќе ја дели истата маргина на грешка во неговата позната вредност.

Поврзано

• Карактеристична отпорност на вакуум
• Електромагнетни бранови равенка
• Синусоиден авион-бран решенија на електромагнетни бранови равенка
• Математички описи на електромагнетно поле
• Нови SI дефиниции