磁場強度

磁場強度

磁場性質
磁場強度在曆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(符号為H)。後來安培提出分子電流假說,認為并不存在磁荷,磁現象的本質是分子電流。自此磁場的強度多用磁感應強度(符号為B)表示。曆史上磁場強度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出來的。磁場強度描寫磁場性質的物理量。雖然很早以前,人類就已知道磁石和其奧妙的磁性,最早出現的幾個學術性論述之一,是由法國學者皮埃·德馬立克(Pierre de Maricourt)于公元1269年寫成。
    中文名:磁場強度 外文名:magnetic field intensity 别名: 符 号:H 單 位:安培/米

基本釋義

磁場強度描寫磁場性質的物理量。用H表示。其定義式為,式中B是磁感應強度,M是磁化強度,μ0是真空中的磁導率,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。

曆史上磁場強度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出來的。當時還不知道磁性與電流的關系,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律,稱為磁庫侖定律,表示為,式中k是比例系數,與式中各量的單位選取有關,qm1、qm2表示每個點磁荷的數值,γ是兩個點磁荷之間的距離,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,Fm為qm0在磁場中所受的磁力。

顯然,與點電荷的電場強度公式相對應,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。從分子電流觀點,磁場是電流(運動電荷)産生的,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對應的。B本應叫磁場強度,由于磁場強度一詞曆史上已被H占用了,所以将B叫磁感應強度。磁荷觀點在曆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年狄拉克從量子力學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,但宏觀結果完全一樣。不管磁荷是否存在,在讨論永磁問題中采用磁荷觀點往往比較簡便,至今仍有應用價值。

在順磁質和抗磁質中式B=μH成立。由式可知B與H成正比且方向一緻。在H具有一定對稱性的情況下,可用有介質存在時的安培環路定理求得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,它們之間的關系隻能用式H=B/μ0-M表示。

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強度B與介質磁導率μ的比值叫作該點的磁場強度。

磁場強度由磁感應強度與磁導率定義而來,起輔助作用,重要的是理解後兩者。

介質中的磁場強度

在恒定磁場中磁場強度的閉合環路積分僅與環路所鍊環的傳導電流有關而不含束縛分子電流,即

在真空中,磁場強度

當有磁介質時,

在其内部

,故式中為磁化率;為磁化強度,

麥克斯韋方程

在時變電磁場中,磁場強度的閉合環路積分與環路所鍊環的全電流有關,但仍不包括束縛分子電流,即

全電流由傳導電流與位移電流組成。此式的微分形式為

式中為傳導電流密度;

為電位移矢量的時間變化率,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;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。

曆史

雖然很早以前,人類就已知道磁石和其奧妙的磁性,最早出現的幾個學術性論述之一,是由法國學者皮埃·德馬立克(Pierre de Maricourt)于公元1269 年寫成。德馬立克仔細标明了鐵針在塊型磁石附近各個位置的定向,從這些記号,又描繪出很多條磁場線。他發現這些磁場線相會于磁石的相反兩端位置,就好像地球的經線相會于南極與北極。因此,他稱這兩位置為磁極。幾乎三個世紀後,威廉·吉爾伯特主張地球本身就是一個大磁石,其兩個磁極分别位于南極與北極。出版于1600年,吉爾伯特的巨著《論磁石》(De Magnete)開創磁學為一門正統科學學術領域。

于1824年,西莫恩·泊松發展出一種物理模型,比較能夠描述磁場。泊松認為磁性是由磁荷産生的,同類磁荷相排斥,異類磁荷相吸引。他的模型完全類比現代靜電模型;磁荷産生磁場,就如同電荷産生電場一般。這理論甚至能夠正确地預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疵。第一,磁荷并不存在。将磁鐵切為兩半,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系。

于1820年,一系列的革命性發現,促使開啟了現代磁學理論。首先,丹麥物理學家漢斯·奧斯特于7月發現載流導線的電流會施加作用力于磁針,使磁針偏轉指向。稍後,于9月,在這新聞抵達法國科學院僅僅一周之後,安德烈-瑪麗·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線會互相吸引;否則,假若流向相反,則會互相排斥。緊接着,法國物理學家讓-巴蒂斯特·畢奧和菲利克斯·沙伐于10月共同發表了畢奧-薩伐爾定律;這定律能夠正确地計算出在載流導線四周的磁場。

1825年,安培又發表了安培定律。這定律也能夠描述載流導線産生的磁場。更重要的,這定律幫助建立整個電磁理論的基礎。于1831年,麥可·法拉第證實,随着時間演進而變化的磁場會生成電場。這實驗結果展示出電與磁之間更密切的關系。

從1861年到1865之間,詹姆斯·麥克斯韋将經典電學和磁學雜亂無章的方程加以整合,發展成功麥克斯韋方程組。最先發表于他的1861年論文《論物理力線》,這方程組能夠解釋經典電學和磁學的各種現象。在論文裡,他提出了“分子渦流模型”,并成功地将安培定律加以延伸,增加入了一個有關于位移電流的項目,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,麥克斯韋推導出電磁波方程。他又計算出電磁波的傳播速度,發現這數值與光速非常接近。警覺的麥克斯韋立刻斷定光波就是一種電磁波。後來,于1887年,海因裡希·赫茲做實驗證明了這事實。麥克斯韋統一了電學、磁學、光學理論。

雖然,有了極具功能的麥克斯韋方程組,經典電動力學基本上已經完備,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,在他的論文裡表明,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象(幫助愛因斯坦發展出狹義相對論的思想實驗,關于其詳盡細節,請參閱移動中的磁鐵與導體問題)。後來,電動力學又與量子力學合并為量子電動力學。

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