磁場強度(magnetic field intensity),在歷史上最先由磁荷觀點引出。類比于電荷的庫侖定律,人們認為自然界存在正負兩種磁荷,并提出磁荷的庫侖定律。單位正電磁荷在磁場中所受的力被稱為磁場強度H。后來安培提出分子電流假說,認為并不存在磁荷,磁現(xiàn)象的本質(zhì)是分子電流。自此磁場的強度多用磁感應(yīng)強度B表示。但是在磁介質(zhì)的磁化問題中,磁場強度H作為一個導(dǎo)出的輔助量仍然發(fā)揮著重要作用。
基本釋義
磁場強度描寫磁場性質(zhì)的物理量。用H表示。其定義式為H=B/μ0-M,式中B是磁感應(yīng)強度,M是磁化強度,μ0是真空中的磁導(dǎo)率,μ0=4π×10^-7特斯拉·米/安。H的單位是安/米。在高斯單位制中H的單位是奧斯特。1安/米=4π×10-3奧斯特。
歷史上磁場強度H是從磁荷觀點定義的。磁荷觀點是從研究永磁鐵相互作用問題中總結(jié)出來的。當時還不知道磁性與電流的關(guān)系,由于條形磁鐵有N、S兩極,且同性磁極相斥,異性磁極相吸,這一點與正、負電荷之間的相互作用很相似,于是把永磁體與帶電體相比較,假設(shè)磁極是由磁荷分布形成的。N極上的磁荷叫正磁荷,S極上的磁荷叫負磁荷。同性磁荷相斥,異性磁荷相吸。當磁極本身的線度比正、負磁極間的距離小很多時,磁極上的磁荷稱為點磁荷。
庫侖通過實驗得到兩個點磁荷之間相互作用力的規(guī)律,稱為磁庫侖定律,表示為Fm=κqm1qm2/γ2r?,式中κ是比例系數(shù),與式中各量的單位選取有關(guān),qm1、qm2表示每個點磁荷的數(shù)值,γ是兩個點磁荷之間的距離,r?是兩者連線上的單位矢。按照磁荷觀點,仿照電場強度的定義規(guī)定磁場強度H是這樣一個矢量:其大小等于單位點磁荷在磁場中某點所受的力,其方向為正磁荷在該點所受磁場力的方向。表為H=Fm/qm0,式中qm0是試探點磁極的磁荷,F(xiàn)m為qm0在磁場中所受的磁力。顯然,與點電荷的電場強度公式E=1/4πεθq/γ2r相對應(yīng),點磁荷的磁場強度公式為H=κqm/γ2r。從磁荷觀點把H稱為磁場強度是合理的,它與E相對應(yīng)。從分子電流觀點,磁場是電流(運動電荷)產(chǎn)生的,并給電流(運動電荷)以作用力。從電流元、運動電荷等在磁場中受力的角度反映磁場的性質(zhì)定義B(B=F最大/I2dl2,B=F最大/qv⊥)。顯然,此時B是與電場強度E對應(yīng)的。B本應(yīng)叫磁場強度,由于磁場強度一詞歷史上已被H占用了,所以將B叫磁感應(yīng)強度。磁荷觀點在歷史上完全是在與電荷類比中提出的,實驗上并沒有找到單獨存在的磁荷。1931年保羅·狄拉克從量子力學(xué)觀點提出磁單極的存在,當前仍未找到它,但也沒有否定它的存在,尚屬于研究課題。分子電流觀點和磁荷觀點二者微觀模型不同,但宏觀結(jié)果完全一樣。不管磁荷是否存在,在討論永磁問題中采用磁荷觀點往往比較簡便,至今仍有應(yīng)用價值。
在順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)中式B=μH成立。由式可知B與H成正比且方向一致。在H具有一定對稱性的情況下,可用有介質(zhì)存在時的安培環(huán)路定理求得H,再用上式求得B。這種方法也可用來近似計算軟鐵磁材料中的H、B。在硬磁材料中一般H、B、M方向均不同,它們之間的關(guān)系只能用式H=B/μ0-M表示。
基本概念
磁場強度是電感線圈安匝數(shù)的一個表征量,反映磁場的源強弱。磁感應(yīng)強度則表示磁場源在特定環(huán)境下的效果。打個不恰當?shù)谋确?,你用一個固定的力去移動一個物體,但實際對物體產(chǎn)生的效果并不一樣,比如你是借助于工具的,也可能你使力的位置不同或方向不同。對你來說你用了一個確定的力。而對物體卻有一個實際的感受,你作用的力好比磁場強度,而物體的實際感受好比磁感應(yīng)強度。
計算公式
定義
磁荷意義下,磁場強度的定義為:
與電場強度類似。
在介質(zhì)中,磁場強度則通常被定
義為:
式中
為磁化強度。
在國際單位制(SI)中,磁場強度的單位為安[培]/米(
),量綱為
;在高斯單位制(CGS)中,磁場強度單位是奧[斯特](
)。1安/米相當于
奧。
簡易定義:把磁場中某點磁感應(yīng)強度B與介質(zhì)磁導(dǎo)率μ的比值叫作該點的磁場強度。
磁場強度由磁感應(yīng)強度與磁導(dǎo)率定義而來,起輔助作用,重要的是理解后兩者。
介質(zhì)中的磁場強度
在恒定磁場中磁場強度的閉合環(huán)路積分僅與環(huán)路所鏈環(huán)的傳導(dǎo)電流
有關(guān)而不含束縛分子電流,即
在真空中,磁場強度
當有磁介質(zhì)時,
在其內(nèi)部
而
,故式中
為磁化率;
為磁化強度,
。
在時變電磁場中,磁場強度的閉合環(huán)路積分與環(huán)路所鏈環(huán)的全電流有關(guān),但仍不包括束縛分子電流,即
全電流由傳導(dǎo)電流
與位移電流
組成。此式的微分形式為
式中
為傳導(dǎo)電流密度;
的時間變化率,即位移電流密度,其面積積分為
。
磁路中磁場強度的計算公式
磁場強度的計算公式:
其中H為磁場強度,單位為A/m;N為勵磁線圈的匝數(shù);I為勵磁電流(測量值),單位為A;Le為測試樣品的有效磁路長度,單位為m。
歷史
雖然很早以前,人類就已知道磁石和其奧妙的磁性,最早出現(xiàn)的幾個學(xué)術(shù)性論述之一,是由法國學(xué)者皮埃·德馬立克(Pierre de Maricourt)于公元1269 年寫成。德馬立克仔細標明了鐵針在塊型磁石附近各個位置的定向,從這些記號,又描繪出很多條磁場線。他發(fā)現(xiàn)這些磁場線相會于磁石的相反兩端位置,就好像地球的經(jīng)線相會于南極與北極。因此,他稱這兩位置為磁極。幾乎三個世紀后,威廉·吉爾伯特主張地球本身就是一個大磁石,其兩個磁極分別位于南極與北極。出版于1600 年,吉爾伯特的巨著《論磁石》(De Magnete)開創(chuàng)磁學(xué)為一門正統(tǒng)科學(xué)學(xué)術(shù)領(lǐng)域。
于1824年,西莫恩·泊松發(fā)展出一種物理模型,比較能夠描述磁場。泊松認為磁性是由磁荷產(chǎn)生的,同類磁荷相排斥,異類磁荷相吸引。他的模型完全類比現(xiàn)代靜電模型;磁荷產(chǎn)生磁場,就如同電荷產(chǎn)生電場一般。這理論甚至能夠正確地預(yù)測儲存于磁場的能量。
盡管泊松模型有其成功之處,這模型也有兩點嚴峻瑕。第一,磁荷并不存在。將磁鐵切為兩半,并不會造成兩個分離的磁極,所得到的兩個分離的磁鐵,每一個都有自己的指南極和指北極。第二,這模型不能解釋電場與磁場之間的奇異關(guān)系。
于1820年,一系列的革命性發(fā)現(xiàn),促使開啟了現(xiàn)代磁學(xué)理論。首先,丹麥物理學(xué)家漢斯·奧斯特于7月發(fā)現(xiàn)載流導(dǎo)線的電流會施加作用力于磁針,使磁針偏轉(zhuǎn)指向。稍后,于9月,在這新聞抵達法國科學(xué)院僅僅一周之后,安德烈·安培成功地做實驗展示出,假若所載電流的流向相同,則兩條平行的載流導(dǎo)線會互相吸引;否則,假若流向相反,則會互相排斥。緊接著,法國物理學(xué)家讓-巴蒂斯特·畢奧和菲利克斯·沙伐于10月共同發(fā)表了畢奧-薩伐爾定律;這定律能夠正確地計算出在載流導(dǎo)線四周的磁場。
1825年,安培又發(fā)表了安培定律。這定律也能夠描述載流導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場。更重要的,這定律幫助建立整個電磁理論的基礎(chǔ)。于1831年,邁克爾·法拉第證實,隨著時間演進而變化的磁場會生成電場。這實驗結(jié)果展示出電與磁之間更密切的關(guān)系。
從1861年到1865之間,詹姆斯·麥克斯韋將經(jīng)典電學(xué)和磁學(xué)雜亂無章的方程加以整合,發(fā)展成功麥克斯韋方程組。最先發(fā)表于他的1861年論文《論物理力線》,這方程組能夠解釋經(jīng)典電學(xué)和磁學(xué)的各種現(xiàn)象。在論文里,他提出了“分子渦流模型”,并成功地將安培定律加以延伸,增加入了一個有關(guān)于位移電流的項目,稱為“麥克斯韋修正項目”。由于分子渦包具有彈性,
這模型可以描述電磁波的物理行為。因此,麥克斯韋推導(dǎo)出電磁波方程。他又計算出電磁波的傳播速度,發(fā)現(xiàn)這數(shù)值與光速非常接近。警覺的詹姆斯·麥克斯韋立刻斷定光波就是一種電磁波。后來,于1887年,海因里希·赫茲做實驗證明了這事實。麥克斯韋統(tǒng)一了電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)理論。
雖然,有了極具功能的麥克斯韋方程組,經(jīng)典電動力學(xué)基本上已經(jīng)完備,在理論方面,二十世紀帶來了更多的改良與延伸。阿爾伯特·愛因斯坦,于1905年,在他的論文里表明,電場和磁場是處于不同參考系的觀察者所觀察到的同樣現(xiàn)象(幫助愛因斯坦發(fā)展出狹義相對論的思想實驗,關(guān)于其詳盡細節(jié),請參閱移動中的磁鐵與導(dǎo)體問題)。后來,電動力學(xué)又與量子力學(xué)合并為量子電動力學(xué)。
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磁場強
度計:
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