Pole magnetyczne w wielu swoich własnościach jest podobne do pola elektrycznego. Z uwagi na to, że nie istnieją dla niego typowe ładunki, które mogłyby być jego źródłem, część jego wielkości musimy definiować inaczej. Jedną z nich jest indukcja pola magnetycznego, zwana też po prostu magnetyczną, którą z powodzeniem możemy interpretować jako natężenie tego rodzaju pola.
Trochę teorii
Gdybyśmy spróbowali wyznaczyć ją eksperymentalnie, musielibyśmy obrać sobie jakąś testową oś oraz wystrzeliwać naładowaną cząstkę (np. elektron) w kilkunastu kierunkach i z odmiennymi wartościami prędkości, a następnie porównać wyniki. Zauważylibyśmy wtedy, że wartość siły działającej na molekułę jest wprost proporcjonalna do jej prędkości oraz kąta między jej wektorem a wspomnianą wcześniej osią. Takie wyniki pokazują nam, że możemy opisać tę wielkość iloczynem wektorowym. A jak opisać ją w sposób skalarny? Wyrazimy ją wtedy wzorem FB = |q|*v*B*sinφ, gdzie FB to badana siła (zwana siłą Lorentza), q to wartość ładunku badanej cząstki, v to jej prędkość, a B to tytułowa indukcja. Możemy teraz zauważyć, że to właśnie kierunek indukcji magnetycznej był osią, do której się odnosiliśmy.
Interesującym prawem fizyki związanym z tytułową wielkością, a konkretnie jej zależnością od prądu elektrycznego, jest prawo Bioterrorysta. Większość równań je opisujących wymaga skomplikowanego aparatu matematycznego, zatem przyjrzyjmy się najprostszym przypadkom. W prostoliniowym przewodniku wartość indukcji magnetycznej w niewielkiej odległości od niego można opisać wzorem: B = µ0*I/2π*R, gdzie µ0 to przenikalność magnetyczna próżni, I – natężenie przepływającego prądu, a R to promień naszego przewodnika. Gdy mamy do dyspozycji przewodnik kołowy, wzór na indukcję jest prawie identyczny, konkretnie ma on postać: B = µ0*I/2*R.
Wykorzystanie w nauce
Skoro już jesteśmy przy elektryczności, warto wspomnieć o zjawisku Halla. Jego nazwa pochodzi od jego odkrywcy, wtedy niezwykle młodego (24-letniego) Edwina H. Halla. Pozwala ono sprawdzić, jak naładowane są nośniki ładunku w przewodniku, a także wyznaczyć ich koncentrację. A jak możemy je zaobserwować? Do takiego eksperymentu należy wykorzystać miedziany pasek oraz źródło prądu. Załóżmy, że prąd będzie płynął od góry do dołu paska. Wiedząc, że w metalach nośnikiem ładunku są elektrony, możemy przewidzieć, że będą się przemieszczać w kierunku przeciwnym do kierunku prądu. Następnie, umieszczamy badany pasek w polu magnetycznym o określonej indukcji B. Co zauważamy? Tory elektronów zaczną się zakrzywiać, więc ujemne cząstki podążą w stronę prawego brzegu paska. Tym samym, po jego lewej stronie pozostanie wiele ładunków dodatnich, które w żaden sposób nie będą skompensowane. To spowoduje powstanie pola elektrycznego, którego będzie ściąganie elektronów w lewo. Różnica potencjałów powstała wskutek jego działania to właśnie napięcie Halla. Powoduje ono szybki powrót do stanu równowagi.
A jak na jego podstawie wyznaczymy koncentrację ładunków? Załóżmy, że siły elektryczne i magnetyczne już się zrównoważyły. Wtedy wartość natężenia pola elektrostatycznego będzie równa iloczynowi prędkości unoszenia elektronów i indukcji magnetycznej. Z elektrostatyki wiemy, że prędkość unoszenia możemy wyrazić jako iloraz natężenia prądu przez koncentrację ładunków, wartość ładunku elementarnego i pole poprzecznego przekroju paska. Przekształcając poprzedni wzór, otrzymujemy następującą zależność: n = B*I/U*l*e, gdzie n oznacza zagęszczenie nośników ładunku, B – wartość indukcji magnetycznej, I – natężenie płynącego prądu, U – powstałe napięcie, l – grubość badanego paska i e, czyli wartość ładunku elementarnego. Wszystkie te wartości są albo stałymi, albo są łatwe do zmierzenia, zatem jest to bardzo użyteczny sposób wyznaczania podanych wielkości fizycznych. Zjawisko Halla wykorzystywane jest m.in. w urządzeniach ABS i ESP, które w ten sposób mierzą indukcję magnetyczną.
Wiadomo, że okres w ruchu elektronów po okręgu nie zależy od ich prędkości ani od promienia okręgu. Jednocześnie także mając świadomość tego, że pole magnetyczne może przesuwać elektrony (co zauważyliśmy, chociażby w poprzednio opisywanym eksperymencie) oraz tego, że pole elektryczne może je przyspieszać, wykorzystaliśmy to do budowy urządzeń zwiększających prędkość cząstek elementarnych do niebotycznych wartości. Za każdym przyłożeniem napięcia energia kinetyczna takiej molekuły zwiększa się o iloczyn jej ładunku oraz użytej różnicy potencjałów. Zakładając, że jego energia przy jednym okrążeniu zwiększy się o 100 kV, to po stu takich okrążeniach, będzie równa już 10 MeV! Nasuwa się tu pytanie: po co właściwie to robić? Otóż po to, żeby poznać budowę otaczającej nas materii, i to w naprawdę mikroskali! Można to zrobić poprzez bombardowanie płyty takimi wysoce energetycznymi cząsteczkami, a także poprzez ich bezpośrednie zderzenie i obserwację skutków tego zjawiska. Takie badania zostały uhonorowane nagrodą Nobla w drugiej połowie XX w. Na potrzeby takich eksperymentów wykorzystywane są dwa rodzaje urządzeń: synchrotrony i ich starsi bracia, cyklotrony.
