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磁场强度、磁感应强度、磁化强度和磁极化强度及其关系

发布时间:2020-06-24 浏览次数:1564

磁场强度H、磁感应强度B、磁化强度M和磁极化强度J是四个非常重要的基本概念,它们之间关联但有时很容易混淆,分清这四个概念对于磁材行业从业者非常重要。本文讲解四者概念及其之间的关系。

磁场强度H

磁场强度H其实是一个没有实际意义的物理量,人们先前定义它的时候假设有磁荷这种东西,但是后来发现这个东西并不存在,它只是电流的另一面。

19世纪20年代科学家有一系列的革命性发现,这些发现开启了现代磁学理论。

丹麦物理学家汉斯·奥斯特于1820年7月发现载流导线的电流会施加作用力于磁针,使磁针偏转指向。(奥斯特实验—电流的磁效应)9月,在这一新闻抵达法国科学院仅仅一周之后,安培成功地做实验展示出,假若所载电流的流向相同,则两条平行的载流导线会互相吸引;否则,电流流向相反,平行导线会互相排斥。1825年安培发表了安培定律,这是关于电流和电流所激发磁场的磁感线方向之间关系的定则。通过力学的测量可以得出长直导线外到导线距离相等的点,磁针感受到的“磁场”强度相同,距离不同的点“磁场”强度随着距离成反比。这样我们通过力学测量和电流强度来定义磁场强度H这个物理量,它的单位是安A/米m,在高斯单位制中H的单位是Oe奥斯特,1A/m=4π×10-3Oe。

关于磁场强度H有很多解释,我们可以简化地把H理解为一个外磁场(类比于电场强度,例如利用电流I将一个磁场H施加到某个物体上)。

磁感应强度B

磁场强度只是外加电流给的一个磁场,而对于磁场内的铁磁性物质来说,除了受到外磁场H的影响,物质内部粒子在外磁场的作用下也会产生一个感生磁场。磁感应强度B表示一个粒子“感受”到总磁场,是外加磁场H和此时感生磁场M的总和。

在真空中磁感应强度和外磁场呈正比,B=μ0H,其中μ0为真空磁导率。在铁磁性物质内部的磁感应强度 B=μ0(H+M),即总磁场等于μ0乘以“电流产生的磁场H”加上“介质受到H磁化后产生的磁场M”之和。B的单位是特斯拉T,在高斯单位制中单位是高斯Gs,1T=10KGs。

其实磁感应强度才是磁体真正的“磁场强度”,但由于历史上已经把H称为磁场强度了,所以只能给B另起个名字叫磁感应强度。B与H说的都是“磁场强度”,但由于定义的方式和导出的方式不同,它们的单位是不同的(高斯制下B的单位是高斯Gs,H的单位是奥斯特Oe,1Oe=1×10-4Wb·m-2=1×10-4T=1Gs)。

磁场强度H是虚无空间的磁场,它不考虑空间中的物质,它关注的是磁场和产生磁场的源--电流之间的关系,而磁感应强度B则是考虑在虚无空间磁场H的基础上加上实际物质后最终磁场的强弱,它关注的是物质的实际磁场强弱。

磁化强度M

刚才我们已经提到了磁化强度M,它是物质内部粒子在外磁场的作用下产生的一个感生磁场。近代物理证明,原子中的每个电子都在围绕原子核做轨道运动和自旋运动,这两种运动都产生磁效应。如果把分子看成一个整体,分子中各个电子对外所产生的磁效应的总和,可以用一个等效的圆电流来表示,这个等效的圆电流称为分子电流,其相应的磁矩称为分子磁矩,用pm来表示,它是分子中各个电子轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。

在无外磁场时,磁介质内部任一体积元内所有分子磁矩的矢量和为零, 物质对外不显示磁性;而当磁介质处于外磁场中时,每个分子都受到一个力矩,该力矩迫使分子磁矩转向外磁场的方向,于是,在外磁场的作用下,任一体积元内所有分子磁矩的矢量和不为零。这样,磁介质对外就显示出一定的磁性,或者说磁介质被磁化了。 为了描述磁介质的磁化状态(磁化程度和磁化方向),我们引入磁化强度矢量M,它表示单位体积内所有分子磁矩的矢量和,单位是A/m(高斯制下M的单位是高斯Gs)。

为了研究这个感生的磁场M与外加场H的关系,我们定义了磁化率χ=M/H。磁化率大,说明同样的外磁场能产生更多的内在感生磁场;磁化率小说明即使外加磁场很大,里面的材料也“懒得理它”,只有微弱的响应。磁化率可正可负,正磁化率χ>0,说明产生的内部磁场M方向与外加磁场H相同,负磁化率χ<0,则材料内部由于H产生的额外磁场M和外场H方向相反。

磁极化强度J

上文中我们介绍了磁感应强度 B=μ0(H+M)=μ0H+μ0M,我们把μ0M称为物质的磁极化强度,即J=μ0M,它的单位也是T(特斯拉)。磁极化强度J在物理意义上解释为单位体积磁性介质的磁偶极矩,也称内禀磁感应强度。符号为Bi或J。从J=μ0M中不难看出,磁极化强度J和细化强度M之间的差别,仅在于M乘上一个常数μ0。

在软磁材料中,磁场强度的值通常是不大于1000A/m,μ0为4×10-7H/m,而J=B-μ0H,所以磁感应强度B和磁极化强度J之间差别很小;但在硬磁性材料中,这种区别是非常显著的,因此通常会给出B=f(H)和J=f(H)这两种关系曲线。

为了帮助大家更好地理解B、J和M这三个概念,这里有物质的三种磁化曲线与三种磁滞回线图,从图上大家可以更加直观地看出他们的关系和差异。(受绘图工具和绘画水平限制,曲线并不完全精准,仅供大家了解B、J和M使用)

 

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