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真空磁导率

2020-10-16
出处:族谱网
作者:阿族小谱
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由电流单位安培定义真空磁导率安培是若两条无限长的平行导线,截面积可忽略,在真空中距离一米远,若两者都流相同大小的等电流,且每米导线的受力为2×10牛顿时,导线上电流的大小。上述的定义是19

由电流单位安培定义真空磁导率

安培是若两条无限长的平行导线,截面积可忽略,在真空中距离一米远,若两者都流相同大小的等电流,且每米导线的受力为2×10牛顿时,导线上电流的大小。

上述的定义是1948年定义,其影响是将真空磁导率定为4π×10 H·m。进一步的描述如下:

二条细长的、直的、静止的平行导线,在自由空间中距离为r,上面带有I的电流,彼此之间会产生作用力。依安培定律,单位长度下的受力为

因为安培的定义,因此导线距离1米时,其电流为1安培,两者之间的单位长度受力为2×10 N·m。可以定义 真空磁导率μ0的值为

用语

在历史上,μ0有许多不同的名称,例如在1987年的IUPAP红色书中,此常数称为permeability of vacuum(真空磁导率)。另一个较少用的用语为magnetic permittivity of vacuum、 vacuum permeability(真空磁导率)及衍生的permeability of free space(自由空间磁导率)仍然广为使用,不过标准组织已改用magnetic constant(磁常数)来称μ0,不过旧的词仍然列在同义词的部分。

标准组织选择名称为磁常数的原因是避免使用真空及磁导率,两者都有其物理意义。更改名称后可以让μ0更像一个定义出来的数值,而不是实验量测的结果。

单位系统及曾定义过的μ0数值

以原理上来看,有好多种定义电磁物理量及单位系统的方程系统。自19世纪末,电流单位的定义就和质量、长度、时间的定义,以及安培力定律有关。不过准确的作法自从形成后.因为量测方式及想法的进步,已变更了好几次。 有关电流单位,以及如何找出相关一组电磁方程的问题相当复杂,简单来说,选择μ0为目前使用数值的原因如下:

安培力定律说明一个由实验产生的结果,二条直的静止平行导线,距离r,两者都有电流I流过,若放在真空中,其单位长度上的受力为

若将比例常数写为km,可得到

为了设置相关的方程组,需要定义km的和其他常数的关系,而为了定义电流单位,需要定义km的数值。

在1800年代末期定义的CGS电磁单位制(EMU),km设定为一自然数2,其距离单位为公分、力的单位为达因、以此式定义的电流单位为绝对安培(abampere)或毕奥(biot)。而电磁学家及工程师用的实用单位安培,则是绝对安培的1/10。

在有理化的MKS制(或称为MKSA制)中,km写成μ0/2π,其中μ0为单位系统相关的常数,称为磁常数。 μ0的数值设定为使MKSA制的电流单位等于CGS电磁单位制(EMU)中用到的安培。

以上提到二个单位系统.在历史上曾有一段时间有多种不同的电磁单位系统同时使用,特别是科学家和工程师使用的系统不同:科学家会依研究物理理论的不同,在三种单位系统中选择一个使用,而工程师又在实验时使用第四种单位系统。1948年时国际标准组织决定使用MKSA制,也使用其电磁学的单位,因此在国际标准制中只有一种单位系统描述电磁相关的现象。

安培定律描述的是真实世界的物理现象,但km的形式及μ0的数值完全是由由各参与国代表组织的国际组织决定的。μ0是量测系统的常数,不是一个可以测量的物理常数。因此此数值也没有描述任何和真空有关的特性。这也是国际标准组织选择用磁常数来作为μ0的名称,而不使用和其他物理量有关的名称。

在电磁学中的重要性

磁常数μ0出现在描述电场、磁场及电磁波性质.以及和产生源关系的麦克斯韦方程组中,尤其是其中有磁导率及磁化强度的方程中,例如由B场定义H场的方程。在介质中,两者有以下的关系:

其中M为磁化强度,在真空中,M为零。

在国际单位制中,真空中光速的c0和磁常数及真空电容率有关,其定义如下:

以上关系可以由在真空中的麦克斯韦方程组推导而来,不过BIPM及NIST将上述关系式视为是ε0的定义,以 c0及μ0的数值来定义,而不是依麦克斯韦方程有效性有关的推导结果。

相关条目

自由空间阻抗

电磁波方程

电磁场的数学表述

新国际单位制的定义(英语:New SI definitions)


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