磁場：強度、特性、発生源、例 - 物理的 - 2025

磁場は、移動電荷がそれらを包囲した空間に持っている影響です。電荷には常に電界がありますが、運動しているものだけが磁気効果を生成できます。

磁性の存在は古くから知られています。古代ギリシャ人は、小さな鉄片を引き寄せることができる鉱物について説明しました。それは、ロードストーンまたは磁鉄鉱でした。

図1.マグネタイトのサンプル。出典：ウィキメディア・コモンズ。ロジングロ81。

ミレトスとプラトンの賢人タレスは、彼らの著作に磁気効果を記録するのに忙しかった。ちなみに彼らは静電気も知っていました。

しかし、磁性が電気に関連するようになったのは19世紀までで、ハンスクリスチャンエルステッドが、電流が流れる導線の近くでコンパスが外れていることに気付きました。

今日、私たちは電気と磁気がいわば同じコインの両面であることを知っています。

物理学における磁場

物理学では、磁場という用語はベクトル量であり、モジュラス（その数値）、空間および方向の方向を含みます。また、2つの意味があります。1つ目は、磁気誘導と呼ばれることもあるベクトルで、Bで表されます。

国際単位系におけるBの単位は、Tと略されるテスラです。磁場とも呼ばれるもう1つの量はHで、磁場強度とも呼ばれ、その単位はアンペア/メートルです。

どちらの量も比例しますが、磁性材料が通過する磁場に及ぼす影響を考慮に入れるために、このように定義されています。

材料が外部磁場の真ん中に置かれた場合、結果として生じる磁場はこれに依存し、材料自体の磁気応答にも依存します。これが、BとHが次の関係にある理由です。

B = _μm H

ここで_μm は、材料に依存する定数であり、Hを乗算すると結果がテスラになるように適切な単位があります。

C

-磁場はベクトルの大きさなので、大きさ、方向、感覚があります。

- 国際システムにおける磁場Bの単位はテスラであり、Tと略されますが、Hはアンペア/メートルです。文献に頻繁に現れる他の単位はガウス（G）とエルステッドです。

-磁力線は常に閉ループで、北極を出て南極に入ります。フィールドは常に線に接しています。

-磁極は常に南北ペアで表示されます。分離した磁極を持つことはできません。

-それは常に電荷の動きに起因します。

-その強度は、負荷またはそれを生成する電流の大きさに比例します。

-磁場の大きさは、距離の2乗の逆数で減少します。

-磁場は、時間的にも空間的にも一定または可変です。

-磁場は、移動電荷または電流を運ぶワイヤに磁力を及ぼすことができます。

磁石の極

棒磁石には常に2つの磁極があります。N極とS極です。同じサインの極が反発するのを確認するのは非常に簡単ですが、異なるタイプの極は引き付けます。

これは、電荷で起こることと非常に似ています。それらが近くにあるほど、それらが互いに引き付け合ったり反発したりする力が大きいことも観察できます。

棒磁石には、独特の磁力線のパターンがあります。それらは、北極を離れて南極に入る鋭い曲線です。

図2.棒磁石の磁力線。出典：ウィキメディア・コモンズ。

これらの線を確認する簡単な実験は、紙の上に鉄粉を広げ、その下に棒磁石を配置することです。

磁場の強度は、磁力線の密度の関数として与えられます。これらは常に極の近くで最も密度が高く、磁石から離れるにつれて広がります。

磁石は磁気双極子とも呼ばれ、2つの極が正確に北と南の磁極です。

しかし、それらを分離することはできません。磁石を半分に切ると、それぞれにN極とS極を持つ2つの磁石ができます。分離された極は磁気単極と呼ばれますが、現在までに分離されたものはありません。

出典

磁場のさまざまな発生源について話すことができます。それらは、磁性鉱物から、大きな磁石のように振る舞う地球自体を通して、電磁石にまで及びます。

しかし、真実はすべての磁場が荷電粒子の動きにその起源を持っているということです。

後で、すべての磁性の原始的な原因が原子内の小さな電流にあることがわかります。主に、原子核の周りの電子の移動と原子に存在する量子効果によって生成される電流です。

しかし、その巨視的な起源に関しては、自然の源と人工の源を考えることができます。

自然源は原則として「オフ」にならず、それらは永久磁石ですが、熱が物質の磁性を破壊することを考慮する必要があります。

人工源については、磁気効果を抑制および制御することができます。したがって、次のようになります。

-マグネタイトやマグヘマイトなどの磁性鉱物で作られた天然起源の磁石。たとえば、両方とも酸化鉄です。

-電流と電磁石。

磁性鉱物と電磁石

自然界には、顕著な磁気特性を示すさまざまな化合物があります。それらは、例えば鉄やニッケルの破片や他の磁石を引き付けることができます。

マグネタイトやマグヘマイトなどの上記の酸化鉄は、このクラスの物質の例です。

磁化率は、岩石の磁気特性を定量化するために使用されるパラメーターです。基本的な火成岩は、マグネタイトの含有量が高いため、磁化率が最も高い岩です。

一方、電流が流れるワイヤーがある限り、関連する磁場が存在します。ここでは、フィールドを生成する別の方法があります。この場合、ワイヤーを使用した同心円の形をとります。

フィールドの移動方向は、右手の親指の法則によって決まります。右手の親指が電流の方向を指している場合、残りの4本の指は、磁力線が曲がっている方向を示します。

図3.磁場の方向と感覚を得るための右手の法則。出典：ウィキメディア・コモンズ。

電磁石は、電流から磁気を生成するデバイスです。自由にオン/オフできるという利点があります。電流が止まると、磁場は消えます。さらに、電界強度も制御できます。

電磁石は、スピーカー、ハードドライブ、モーター、リレーなど、さまざまなデバイスの一部です。

移動する電荷に対する磁力

磁場Bの存在は、qと呼ばれる速度vで移動するテスト電荷によって検証できます。このため、少なくとも当面は、電界と重力場の存在は除外されます。

このような場合、電荷qが受ける力（F _Bと表示）は、完全に場の影響によるものです。定性的に、次のことが観察されます。

-F _Bの大きさは qと速度vに比例します。

-if vは磁場ベクトルに平行である、の大きさF _Bはゼロです。

-磁力はvとBの両方に垂直です。

-最後に、磁力の大きさはsinθに比例します。ここで、θは速度ベクトルと磁場ベクトルの間の角度です。

上記のすべてが正と負の両方の電荷に有効です。唯一の違いは、磁力の方向が逆になることです。

これらの観測は2つのベクトル間のベクトル積と一致するため、磁場の中央で速度vで移動する点電荷qが受ける磁力は次のようになります。

F _B = q v x B

そのモジュールは誰ですか：

図4.正の点電荷に対する磁力の右手の法則 出典：ウィキメディア・コモンズ。

磁場はどのように生成されますか？

たとえば、いくつかの方法があります。

-適切な物質を磁化することにより。

-導線に電流を流す。

しかし、物質における磁性の起源は、それが電荷の動きと関連しているに違いないことを思い出すことによって説明されます。

原子核を周回する電子は本質的に小さな閉電流ループですが、原子の磁性に実質的に寄与することができます。一枚の磁性体には非常に多くの電子があります。

原子の磁性へのこの寄与は、軌道磁気モーメントと呼ばれます。しかし、並進だけが電子の動きではないので、それだけではありません。また、磁気スピンモーメント、つまり、その軸上での電子の回転に類似した量子効果も持っています。

実際、スピンの磁気モーメントが原子の磁性の主な原因です。

タイプ

磁場は、それを発生させる電流の分布に応じて、さまざまな形をとることができます。次に、それは空間だけでなく、時間でも、またはその両方でも同時に変化する可能性があります。

-電磁石の極の近くには、ほぼ一定の磁場があります。

-また、ソレノイド内部では、軸線に沿って方向付けられた磁力線で、高輝度で均一な電場が得られます。

-地球の磁場は、特に地表の近くで、棒磁石の磁場にかなりよく似ています。さらに離れた場所では、太陽風が電流を変化させ、著しく変形させます。

-電流を運ぶワイヤーはワイヤーとの同心円の形の分野を持っています。

フィールドが時間の経過とともに変化するかどうかについては、次のようになります。

-その大きさも方向も時間とともに変化しない静磁場。棒磁石のフィールドは、このタイプのフィールドの良い例です。また、定常電流を運ぶワイヤーから発生するもの。

-それらの特性のいずれかが時間とともに変化する場合、時間とともに変化するフィールド。それらを得る1つの方法は、磁気誘導の現象を利用する交流発電機からです。それらは、携帯電話など、一般的に使用されている多くのデバイスに見られます。

ビオサバールの法則

電流の分布によって生成される磁場の形状を計算する必要がある場合は、1820年にフランスの物理学者ジャンマリービオ（1774-1862）とフェリックスサバール（1791-1841）によって発見されたビオサバールの法則を使用できます。 ）。

単純な形状の一部の現在の分布では、磁場ベクトルの数式を直接取得できます。

電流Iを運ぶ差動長dlのワイヤーセグメントがあるとします。ワイヤーも真空状態にあると想定されます。この分布を生み出す磁場：

-ワイヤーまでの距離の2乗の逆数で減少します。

-これは、ワイヤを通過する電流Iの強度に比例します。

-その方向は、ワイヤーを中心とした半径rの円周に接し、その方向は右手の親指の法則によって与えられます。

- μ _O =4π。10 ^-7 Tm / A

-d Bは磁場微分です。

-私はワイヤーを流れる電流の強さです。

-rは、ワイヤーの中心とフィールドを検索するポイントの間の距離です。

-rは、ワイヤーからフィールドを計算するポイントまでのベクトルです。

例

以下は、磁場とその解析的表現の2つの例です。

非常に長い直線ワイヤによって生成される磁場

ビオ・サバールの法則により、電流Iを運ぶ細い有限の導線によって生成される場を得ることができます。結果：

ヘルムホルツコイルによって作成されたフィールド

ヘルムホルツコイルは、同じ電流が流れる2つの同一かつ同心の円形コイルで構成されています。それらはその中にほぼ均一な磁場を作り出す働きをします。

図5.ヘルムホルツコイルの回路図。出典：ウィキメディア・コモンズ。

コイルの中心での大きさは次のとおりです。

Yは軸軸に沿った方向です。方程式の要素は次のとおりです。

-Nはコイルの巻数を表します

-私は電流の大きさです

- μ _oは真空の透磁率であります

-Rはコイルの半径です。

参考文献

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