Inductia magnetica in vid

Inductia magnetica in vid

Pentru caracterizarea starii magnetice a campului electromagnetic, mai precis pentru determinarea cantitativa a campului magnetic (asa cum a fost el prezentat calitativ la inceputul subparagrafului "Momentul magnetic" - v. aliniatul 3), trebuie introdusa o marime primitiva, ceea ce se poate face numai pe cale inductiva, printr-un experiment realizat cu un sistem fizic specific.

In acest scop, in teoria macroscopica a campului electromagnetic se efectueaza un experiment idealizat, considerandu-se ca mediu vidul (ales ca "etalon" de uniformitate si cu densitatea de volum a masei nula) si ca obiect de explorare un corp de proba electric (v. § 1.1.2), adica un corp punctiform electrizat pozitiv, cu sarcina electrica foarte mica (la limita, ), plasat intr-un punct P al campului magnetic din vid si deplasat rectiliniu cu o viteza (fig.1.13).

Pentru descrierea starii campului magnetic din punctul P se va determina actiunea ponderomotoare, adica efectul mecanic al campului magnetic care in acest caz consta intr-o forta ce se exercita asupra corpului de proba electric mobil, ce trece prin P cu viteza locala . Pentru a nu se produce si alte efecte , ca de pilda cele elctrice se va considera ca, pe parcursul experientei, campul magnetic este invariabil in timp, fapt constatat prin aceea ca efectul mecanic ce se va determina cantitativ (adica forta ) este constatat in timp.

Ca rezultat, aceasta experienta va arata ca forta ce se exercita asupra corpului de proba este intotdeauna perpendiculara pe viteza lui si pe o directie fixa caracteristica, in punctul P, campului magnetic invaribil. Valoarea absoluta a fortei se constata ca este proportionala cu produsul dintre sarcina electrica a corpului de proba, valoarea absoluta a vitezei acestui corp si cu sinusul unghiului (v. fig.1.13) dintre si directia fixa (specifica punctului P din campul magnetic in vid). Atunci factorul de proportionalitate dintre F si produsul , unde este versorul directiei , poate fi luata ca o masura a starii locale a campului magnetic. Daca se noteaza, conventional, cu valoarea acestui factor de proportionalitate, se va putea scrie:

sau

si notandu-se cu , atunci este un vector de punct ce poate determina (prin efectul sau ponderomotor) starea locala a campului magnetic in vid. Numindu-se acest vector de stare inductia magnetica in vid rezulta ca el poate fi introdus ca marime primitiva prin definitia:

, (1.30)

in care este forta care se exercita in campul magnetic din domeniul vid , asupra unui corp punctiform electrizat (cu sarcina electrica extrem de mica q) aflat in miscare cu viteza in punctul oarecare P din campul electromagnetic, a carei stare magnetica este determinata local (in ) de vectorul , numit inductia magnetica in vid, o marime primitiva introdusa experimental.

Valoarea absoluta a vectorului inductiei magnetice in vid rezulta din definitia (1.30), fiind:

,

in care este valoarea maxima a fortei care se exercita asupra corpului punctiform (electrizat cu sarcina infima q si avand viteza de deplasare , de valori date), corespunzatoare cazului in care viteza , este perpendiculara pe directia , adica atunci cand (v.fig.1.13).

Directia inductiei magnetice in vid coincide cu directia fixa din punctul considerat in camp (v.fig.1.13), iar sensul lui se fixeaza conventional, astfel incat vectorii si din definitia (1.30) sa formeze un triedru drept. Rezulta ca inductia magnetica in vid este un vector de tip axial, pentru ca nu are un sens al sau dat (intrinsec), ci un sens ales conventional.

Experienta descrisa anterior, pentru introducerea inductiva, a marimii de stare a campului magnetic in vid, , poate fi realizata cu acelasi rezultat si cu alte corpuri de proba, specifice explorarii campului magnetic si anume: bucla de curent caz in care expresia de definitie a lui este data de relatia (1.19) in functie de momentul magnetic al buclei sau cu acul magnetic , in ambele cazuri masurandu-se momentul cuplului de forte la care sunt supuse in camp magnetic aceste corpuri de proba.

Unitatea de masura SI a inductiei magnetice in vid. Acestei unitati de masura i s-a dat denumirea tesla, cu simbolul T, ea rezultand din definitia (1.30), in care se considera F=1N, q=1C si w=1m/s.

Din motive care vor fi aratate mai tarziu (v.§1.3.2, "Legea fluxului magnetic"), in multe situatii unitatea de masura a inductiei magnetice in vid, tot in SI, se numeste weber pe metru la patrat, cu simbolul Wb/m², existand echivalenta 1T=1Wb/m².

Forta Lorentz. Experientele descrise pana acum arata ca marimile vectoriale si introduse ca marimi primitive sunt suficiente pentru caracterizarea completa a starii locale a campului electromagnetic in vid. In conditiile generale ale existentei simultane a ambelor componente (electrica si magnetica) ale campului electromagnetic in vid, un corp punctiform cu o sarcina electrica q suficient de mica (un corp de proba electric-v.§1.1.2) va fi supus simultan atat fortei din campul electric conform relatiei (1.26), cat si fortei din campul magnetic conform relatiei (1.30), forta rezultanta fiind data de insumarea vectoriala:

(1.31)                            ,

in care este forta totala ce se exercita asupra unui corp punctiform cu sarcina q (infima) ce se deplaseaza cu o viteza intr-un punct al campului electromagnetic in vid, numita forta lui Lorentz. In expresia (1.31), numita si ea relatia lui Lorentz, vectorii viteza (a corpului punctiform), intensitatea locala si inductia din acelasi punct sunt definiti fata de un acelasi sistem de referinta inertial (v. Fizica); la schimbarea lui, forta totala care se exercita asupra corpului punctiform nu se modifica, dar viteza sa va avea o alta valoare relativa, fapt care indica modul in care este necesar sa se transforme componentele electrica si magnetica ale campului electromagnetic la schimbarea sistemului de referinta.

Asa cum s-a aratat la inceputul paragrafului 1.1.2, in teoria macroscopica clasica, campul electromagnetic se considera raportat la un sistem de referinta local, asociat corpurilor in miscare, ceea ce nu implica schimbarea sensului de referinta, care este unul intrinsec (in acest caz viteza deplasarii corpului punctiform este unic definita, ca viteza fata de celelalte corpuri ale sistemului fizic din vidul prin care trece).