Магнитная проницаемость вакуума (по-разному проницаемость вакуума , проницаемость свободного пространства , проницаемость вакуума ), также известная как магнитная постоянная , представляет собой магнитную проницаемость в классическом вакууме . Это физическая константа , условно записываемая как μ 0 (произносится как «му ноль» или «мю ноль»). Его цель — количественная оценка силы магнитного поля , излучаемого электрическим током . Выраженный в базовых единицах СИ , он имеет единицу кг⋅м⋅с -2 ·А -2 . Его также можно выразить в производных единицах СИ , N ·A −2 .
С момента переопределения единиц СИ в 2019 году (когда значения e и h были зафиксированы как определенные величины) μ 0 является экспериментально определяемой константой, ее значение пропорционально безразмерной постоянной тонкой структуры , которая известна с относительной неопределенностью около1,5 × 10-10 , [1] [ 2] [3] при отсутствии других зависимостей с экспериментальной неопределенностью. Его значение в единицах СИ, рекомендованное CODATA 2018 (опубликовано в мае 2019 г.), составляет: [4]
С 1948 года [5] по 2019 год µ 0 имел определенное значение (согласно прежнему определению СИ в ампере ), равное: [6] [7]
Отклонение рекомендуемого измеренного значения от предыдущего определенного значения является статистически значимым и составляет около 3,6 σ , обозначаемое как μ 0 /(4π × 10 -7 Н⋅А -2 ) - 1 знак равно(5,5 ± 1,5) × 10 −10 . [4]
Терминология проницаемости и восприимчивости была введена Уильямом Томсоном, 1-м бароном Кельвином в 1872 году . [8] Современные обозначения проницаемости как μ и диэлектрической проницаемости как ε используются с 1950-х годов.
Два тонких, прямых, неподвижных, параллельных провода, находящихся на расстоянии r друг от друга в свободном пространстве , по каждому из которых течет ток I , будут оказывать друг на друга силу. Закон силы Ампера гласит, что магнитная сила F m на длину L определяется выражением [9]
С 1948 по 2019 год ампер определялся как «тот постоянный ток, который, если поддерживать его в двух прямых параллельных проводниках бесконечной длины, пренебрежимо малого круглого сечения и помещенных на расстоянии 1 метра друг от друга в вакууме, создавал бы между этими проводниками силу, равную2 × 10 −7 ньютон на метр длины». Это эквивалентно определению ровно4 π × 10 -7 ЧАС / м . [а] , поскольку
Организации по стандартизации недавно перешли на магнитную константу в качестве предпочтительного названия для μ 0 , хотя старое название продолжает указываться как синоним. [10] Исторически константа µ 0 имела разные названия. В Красной книге IUPAP 1987 года , например, эта константа все еще называлась проницаемостью вакуума . [11] Другой, сейчас довольно редкий и устаревший термин — « магнитная проницаемость вакуума ». См., например, Servant et al. [12] Термин «вакуумная проницаемость» (и его варианты, такие как «проницаемость свободного пространства») остается очень распространенным.
Название «магнитная постоянная» использовалось организациями по стандартизации, чтобы избежать использования терминов «проницаемость» и «вакуум», имеющих физический смысл. Это изменение предпочтительного названия было сделано потому, что μ 0 было определенной величиной, а не результатом экспериментального измерения (см. ниже). В новой системе СИ проницаемость вакуума больше не имеет определенного значения, а является измеряемой величиной с неопределенностью, связанной с неопределенностью (измеренной) безразмерной постоянной тонкой структуры.
В принципе, существует несколько систем уравнений, которые можно использовать для создания системы электрических величин и единиц. [13] С конца 19 века фундаментальные определения единиц тока были связаны с определениями единиц массы, длины и времени с использованием закона силы Ампера . Однако точный способ, которым это «официально» делалось, много раз менялся по мере развития методов измерения и мышления по этой теме. Общая история единицы электрического тока и связанного с ней вопроса о том, как определить набор уравнений для описания электромагнитных явлений, очень сложна. Вкратце, основная причина, по которой µ 0 имеет такое значение, заключается в следующем.
Закон силы Ампера описывает экспериментально полученный факт, что для двух тонких, прямых, неподвижных, параллельных проводов, находящихся на расстоянии r друг от друга, в каждом из которых течет ток I , сила на единицу длины F m / L , что один провод воздействует на другого в вакууме свободного пространства , будет определяться выражением
В старой «электромагнитной (эму)» системе уравнений , определенной в конце 19 века, км выбиралось как чистое число 2, расстояние измерялось в сантиметрах, сила измерялась в единицах СГС — динах , а токи определялись по этому уравнению измерялись в «электромагнитной единице (эму) тока» (также называемой « абампер »). Практическая единица, которую должны были использовать электрики и инженеры, — ампер, — была тогда определена как равная одной десятой электромагнитной единицы тока.
В другой системе, «рационализированной системе метр-килограмм-секунда (rmks)» (или, альтернативно, «системе метр-килограмм-секунда-ампер (mksa)»), km записывается как μ 0 /2 π , где μ 0 – это константа измерительной системы, называемая «магнитной постоянной». [b] Значение µ 0 было выбрано таким образом, чтобы среднеквадратическая единица измерения тока была равна амперу в системе emu: µ 0 определялся как 4 π × 10 -7 Гн / м . [а]
Исторически сложилось так, что одновременно использовалось несколько разных систем (включая две, описанные выше). В частности, физики и инженеры использовали разные системы, а физики использовали три разные системы для разных разделов физической теории и четвертую другую систему (инженерную систему) для лабораторных экспериментов. В 1948 году организациями по стандартизации были приняты международные решения о принятии системы RMKS и связанного с ней набора электрических величин и единиц в качестве единой основной международной системы описания электромагнитных явлений в Международной системе единиц .
Магнитная постоянная ц 0 появляется в уравнениях Максвелла , которые описывают свойства электрических и магнитных полей и электромагнитного излучения , и связывают их с их источниками. В частности, это проявляется в отношении таких величин, как проницаемость и плотность намагничивания , например, в отношении, которое определяет магнитное H -поле через магнитное B -поле. В реальных СМИ эта связь имеет вид:
В Международной системе величин ( ISQ ) скорость света в вакууме c [14] связана с магнитной постоянной и электрической постоянной (диэлектрической проницаемостью вакуума) ε 0 уравнением :
И наоборот , поскольку диэлектрическая проницаемость связана с постоянной тонкой структуры ( ), проницаемость может быть получена из последней (используя постоянную Планка h и элементарный заряд e ):
В новых единицах СИ только константа тонкой структуры является измеренным значением в единицах СИ в выражении справа, поскольку остальные константы имеют значения в единицах СИ.