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. [1] [2] [3]
До этого, в эталонной среде классического вакуума , μ 0 имела точное определенное значение: [4] [5]
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.
Проницаемость вакуума, определяемая амперами [ править ]
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 [6]
Это определение, принятое в 1948 году, позволяло зафиксировать магнитную постоянную (проницаемость вакуума) на точном уровне. 4 π × 10 −7 Гн / м . [a] Чтобы проиллюстрировать: ампер был тем постоянным током, который, если он поддерживается в двух прямых параллельных проводниках бесконечной длины, с незначительным круглым поперечным сечением и помещен на расстоянии 1 метра в вакууме, создает 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 [ править ]
Организации по стандартизации недавно перешли на магнитную постоянную в качестве предпочтительного названия для μ 0 , хотя старое название продолжает указываться как синоним. [7] Исторически константа μ 0 имела разные названия. В Красной книге IUPAP 1987 г. , например, эта константа все еще называлась проницаемостью вакуума . [8] Другой, теперь довольно редкий и устаревший термин - « магнитная проницаемость вакуума ». См., Например, Servant et al. [9] 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 [ править ]
В принципе, существует несколько систем уравнений, которые можно использовать для создания системы электрических величин и единиц. [10] 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». [b] 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 . [а]
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. [c] Вот почему соответствующие организации по стандартизации предпочитают название «магнитная постоянная», а не любое название, которое несет скрытый и вводящий в заблуждение смысл, что μ 0описывает какое-то физическое свойство. [ необходима цитата ]
Значение в электромагнетизме [ править ]
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 , [11] 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. [12]
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.
См. Также [ править ]
- Характеристическое сопротивление вакуума
- Уравнение электромагнитной волны
- Синусоидальные плоские волновые решения уравнения электромагнитной волны
- Математические описания электромагнитного поля.
- Новые определения SI
Заметки [ править ]
- ^ a b Этот выбор определяет единицу измерения тока в системе СИ, ампер: «Единица электрического тока (ампер)» . Исторический контекст СИ . NIST . Проверено 11 августа 2007 .
- ^ Решение явно включить множитель 2 π в k m связано с «рационализацией» уравнений, используемых для описания физических электромагнитных явлений.
- ^ Магнитная проницаемость реализуемого вакуума (например, космического пространства или сверхвысокого вакуума ), которую можно измерить, по крайней мере, в принципе, отличается от определенного параметра μ 0 . [ необходима цитата ]
Ссылки [ править ]
- ^ "Convocationde la Conférence générale des poids et mesures (26e réunion)" (PDF) .
- ^ Паркер, Ричард Х .; Ю, Чэнхуэй; Чжун, Вэйчэн; Эсти, Брайан; Мюллер, Хольгер (13 апреля 2018 г.). «Измерение постоянной тонкой структуры как проверка Стандартной модели». Наука . 360 (6385): 191–195. arXiv : 1812.04130 . Bibcode : 2018Sci ... 360..191P . DOI : 10.1126 / science.aap7706 . ISSN 0036-8075 . PMID 29650669 . S2CID 4875011 .
- ^ Дэвис, Ричард С. (2017). «Определение значения постоянной тонкой структуры из текущего баланса: знакомство с некоторыми предстоящими изменениями в SI». Американский журнал физики . 85 (5): 364–368. arXiv : 1610.02910 . Bibcode : 2017AmJPh..85..364D . DOI : 10.1119 / 1.4976701 . ISSN 0002-9505 . S2CID 119283799 .
- ^ «Магнитная постоянная» . Основные физические константы . Комитет по данным для науки и технологий . 2006 . Проверено 4 февраля 2010 г. - через Национальный институт стандартов и технологий .
- ^ Розен, Джо (2004). «Проницаемость (физика)» . Энциклопедия физики . Факты о файловой библиотеке. Нью-Йорк: факты в файле. ISBN 9780816049745. Проверено 4 февраля 2010 .( требуется регистрация )
- ^ См., Например, уравнение 25-14 в Tipler, Paul A. (1992). Физика для ученых и инженеров, третье издание, расширенная версия . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Издательство Worth. п. 826. ISBN 978-0-87901-434-6.
- ^ См. Таблицу 1 в Mohr, Peter J; Тейлор, Барри Н.; Ньюэлл, Дэвид Б. (2008). «Рекомендуемые значения фундаментальных физических констант CODATA: 2006» (PDF) . Обзоры современной физики . 80 (2): 633–730. arXiv : 0801.0028 . Bibcode : 2008RvMP ... 80..633M . CiteSeerX 10.1.1.150.1225 . DOI : 10.1103 / RevModPhys.80.633 .
- ^ SUNAMCO (1987). «Рекомендуемые значения фундаментальных физических констант» (PDF) . Символы, единицы, номенклатура и фундаментальные константы в физике . п. 54.
- ^ Lalanne, J.-R .; Кармона, Ф .; Слуга, Л. (1999). Оптические спектроскопии электронного поглощения . Мировая научная серия по современной химической физике. 17 . п. 10. Bibcode : 1999WSSCP..17 ..... L . DOI : 10,1142 / 4088 . ISBN 978-981-02-3861-2.
- ^ Введение в тему выбора независимых единиц см. В John David Jackson (1998). Классическая электродинамика (Третье изд.). Нью-Йорк: Вили. п. 154 . ISBN 978-0-471-30932-1.
- ^ «2018 CODATA Value: скорость света в вакууме» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . 20 мая 2019 . Проверено 20 мая 2019 .
- ^ Точное числовое значение находится в: «Электрическая постоянная, ε 0 » . Ссылка NIST на константы, единицы измерения и неопределенность: основные физические константы . NIST . Проверено 22 января 2012 .Эта формула, определяющая точное значение ε 0, находится в таблице 1, с. 637 Mohr, Peter J; Тейлор, Барри Н.; Ньюэлл, Дэвид Б. (2008). «CODATA рекомендуемые значения фундаментальных физических констант: 2006» (PDF) . Обзоры современной физики . 80 (2): 633–730. arXiv : 0801.0028 . Bibcode : 2008RvMP ... 80..633M . CiteSeerX 10.1.1.150.1225 . DOI : 10.1103 / RevModPhys.80.633 .