Magnetostatika

Elektromagnetizam

Ključne stavke

Elektricitet • Magnetizam

Elektrostatika

Električni naboj • Coulombov zakon • Električno polje • Električni fluks • Gaussov zakon • Električni potencijal • Elektrostatična indukcija • Električni dipolni moment

Magnetostatika

Ampèreov zakon • Električna struja • Magnetno polje • Magnetni fluks • Biot–Savartov zakon • Magnetni dipolni moment • Gaussov zakon za magnetizam

Elektrodinamika

Vakuum • Lorentzova sila • EMS • Elektromagnetska indukcija • Faradayjev zakon • Lenzov zakon • Struja pomaka • Maxwellove jednačine • EM polje • Elektromagnetna radijacija • Liénard-Wiechertov potencijal • Maxwellov tenzor • Vrtložne struje

Električna mreža

Električna provodljivost • Električni otpor • Kapacitivnost • Induktivnost • Impedanca • Resonantne šupljine • Talasovod

Kovarijantna formulacija

Elektromagnetni tenzor • EM tenzor napon-energija • Četiri-tok • Elektromagnetni četiri-potencijal

Naučnici Ampère • Coulomb • Faraday • Heaviside • Henry • Hertz • Lorentz • Maxwell • Tesla • Weber · Ostali

Magnetostatika proučava magnetska polja u sistemima gde su struje ravnomerne (ne menjaju se vremenom). Ona je magnetsko analogna u odnosu na elektrostatiku gde su naelektrisanja konstantna. Magnetizacija ne mora da bude statična; jednačine magnetostatike se mogu upotrebljavati da se predvidi brzo magnetsko prebacivanje što su događaji koji se dešavaju na vremenskoj skali od nekoliko nanosekundi ili manje. Magnetostatika je čak dobra aproksimacija čak i kada struje nisu statične – dokle god se struje ne menjaju brzo. Magnetostatika ima široku upotrebu u mikromagnetici kao što su modeli magnetskih uređaja za memorisanje.

Primene

Magnetostatika kao specijalni slučaj Maksvelovih jednačina

Počevši sa Maksvelovim jednačinama i pretpostavljajući da su naelektrisanja ili fiksna ili se kreću podjednako ravnomerno kao i struja $\scriptstyle {\vec {J}}$, jednačine se dele na dve jednačine za električno polje (pogledati elektrostatiku) i dve za magnetsko polje. Polja su nezavisna u odnosu na vreme i u odnosu jedno na drugo. Magnetostatičke jednačine i u diferencijalnom obliku i u integralnom obliku su prikazane u tabeli ispod.

Ime	Parcijalna diferencijalna	Integral
Gausov zakon magnetizma:	${\vec {\nabla }}\cdot {\vec {B}}=0$	$\oint _{S}{\vec {B}}\cdot \mathrm {d} {\vec {S}}=0$
Amperov zakon:	${\vec {\nabla }}\times {\vec {H}}={\vec {J}}$	$\oint _{C}{\vec {H}}\cdot \mathrm {d} {\vec {l}}=I_{\mathrm {enc} }$

Prvi integral je preko površine $S$ sa elementom koji se odnosi na površinu $\scriptstyle d{\vec {S}}$. Drugi je integral linije oko zatvorene petlje $C$ sa elementom $\scriptstyle {\vec {l}}$. Struja koja teče kroz petlju je $\scriptstyle I_{\text{enc}}$.

Kvalitet ove aproksimacije može se proveriti poređenjem jednačina gore predstavljenih sa celovitom verzijom Maksvelovih jednačina a razmatranjane važnosti komponenti koje su uklonjene je od naročite važnosti poređenje $\scriptstyle {\vec {J}}$ komponente sa $\scriptstyle \partial {\vec {D}}/\partial t$ komponente . Ako je $\scriptstyle {\vec {J}}$ komponenta poprilično veća onda manja komponenta može biti zanemarena bez većeg gubitka preciznosti.

Ponovno upoznavanaje sa Faradejevim zakonom

Uobičajena tehnika je da se reši niz magnetostatičkih problema uz dodatne vremenske korake i onda se koriste ta rešenja da se proceni komponenta $\scriptstyle \partial {\vec {B}}/\partial t$. Ubacivanjem ovakvog rezultata u Faradejev zakon dovodi do rezultata $\scriptstyle {\vec {E}}$ (što je prethodno bilo zanemareno). Ovaj metod nije istinito rešenje Maksvelovih jednačina, ali može da donese dobru aproksimaciju za sporo promenjiva polja.

Rešenja za magnetska polja

Izvori struje

Ako su sve struje u sistemu poznate (tj ako je dostupan potpuni opis (i.e., if a complete description of $\scriptstyle {\vec {J}}$) onda magnetsko polje može da se odredi na osnovu struja Bio-Savarovom jednačinom:

${\vec {B}}={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}I\int {\frac {\mathrm {d} {\vec {l}}\times {\hat {r}}}{r^{2}}}$

Ova tehnika uspeva kod problema gde je medijum vakuum ili vazduh ili slična materija relativne permeabilnosti od 1. Ovo uključuje kalemove sa vazdušnim jezgrom i transformatore sa vazdušnim jezgrom. Jedna prednost ove tehnike je to da geometrija komplesnog kalema može da se integriše u odeljke ili za veoma komplikovanu geometriju može se koristiti numerička integracija. Pošto se ova jednačina primarno koristi za rešavanje linearnih problema, potpun odgovor će biti zbir integrala svakog odeljka komponente.

Za probleme gde je dominantni magnetski materijal visoko permeabilno magnetsko jezgro sa relativno malim vazdušnim prolazima pristup magnetskog kola je koristan. Kada su vazdušni prolazi veliki u poređenju sa dužinom magnetskog kola, ograničenje postaje od važnosti i najčešće zahteva proračun konačnih elemenata. Proračun konačnih elemenata koristi modifikovani oblik magnetostatičkih jednačina gore pomenutih, za izračunavanje magnetskog potencijala. Vrednost $\scriptstyle {\vec {B}}$ može se dobiti iz magnetskog potencijala. Magnetsko polje se može izvesti iz vektorskog potencijala. Pošto je divergencija gustine magnetskog fluksa uvek nula,

${\vec {B}}=\nabla \times {\vec {A}},$

i odnos vektorskog potencijala i struje je:

${\vec {A}}={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}\int {{\frac {\vec {J}}{r}}dV}$

gde je $\scriptstyle {\vec {J}}$ gustina naelektrisanja.

Magnetizacija

Visoko magnetni materijali (tj Feromagnetski, Ferimagnetski ili Paramagnetski) imaju magnetizaciju koja na prvom mestu zavisi od spina elektrona. Kod takvih materijala magnetizacija mora biti eksplicitno uključena koristeći odnos

${\vec {B}}=\mu _{0}({\vec {M}}+{\vec {H}}).$

Osim kod metala, elektične struje se mogu ignorisati. Onda je Amperov zakon jednostavno

$\nabla \times {\vec {H}}=0.$

Ovo ima opšte rešenje

${\vec {H}}=-\nabla U,$

Gde je $U$ skalarni potencijal. Ubacujući ovo u Gausov zakon dobija se

$\nabla ^{2}U=\nabla \cdot {\vec {M}}.$

Prema tome, divergencija magnetizacije, $\scriptstyle \nabla \cdot {\vec {M}},$ima analognu ulogu u odnosu na električno naelektrisanje u elektrostatici i često se naziva efektivnom gustinom naelektrisanja $\rho _{M}$.

Metod vektorskog potencijala se takođe može upotrebiti za efektivnu gustinu naelektrisanja

${\vec {J_{M}}}=\nabla \times {\vec {M}}.$

Povezano

• Darwin Lagrangian

Literatura

• Aharoni, Amikam (1996). Introduction to the Theory of Ferromagnetism. Clarendon Press. ISBN 978-0-19-851791-7. Arhivirano iz originala na datum 2011-06-29. Pristupljeno 2020-08-14. 
• Feynman, Richard P.; Leighton, Robert B.; Sands, Matthew (2006). The Feynman Lectures on Physics. 2. ISBN 0-8053-9045-6. 
• Hiebert, W; Ballentine, G; Freeman, M (2002). „Comparison of experimental and numerical micromagnetic dynamics in coherent precessional switching and modal oscillations”. Physical Review B 65 (14): str. 140404. DOI:10.1103/PhysRevB.65.140404.