磁场强度H 和 磁感应强度B
(2015-11-15 18:36:59)
标签:
磁场强度磁感应强度 |
分类: 电气术语 |
最近因考虑互感器工作原理,在过程中又重新认识了一下磁场强度H和磁感应强度B。某些概述中认为H和B其实是同一个东西,H是真空中的B,世界上的物体磁化率变化比较大,例如在顺磁性物质中磁场强度会增大,那么就用B表示。人们如何解释呢?认为H是原始的磁场强度与磁荷或电流有关(磁荷,刚开始研究磁场时人们认为磁场像电场有电荷一样有磁荷,当时还有磁库伦定律。后来奥斯特发现电流可使磁针发生偏转,揭开了电与磁的关系)。而B呢?是感应到的磁场强度,与介质的磁导率有关系。其实B就是H乘了一个系数而已。有人说H,B在SI单位制中不一样呀?转到高斯单位制中就一样了。为啥呢?仔细读我摘录的下文,就清楚了。
另外,我认为可以绕开H,看公式:B = uH = u*(NI/L),NI/L可看做是单位距离上磁势,或单位距离上磁势的变化;此磁势乘以磁导率便是磁感应强度了。(可以这样类比,电压乘以电导率便是电流了。)这样就绕开了H。为什么要绕开H呢?大家在讨论磁场时,认为H是不存在的量,是为了计算方便引入的间接量,并且一些经典物理学课程,只有在介绍磁铁时,才引入H的概念。
实际上我们在设计变压器或电机时,我们知道dv = 磁通对时间的导数(d磁通/dt),
下面的文章摘录于网络,便于大家进一步了解H和B的关系。
磁场强度是通过类比磁场和电场,基于磁荷的观点,是由库伦提出的用于描述磁场强弱的物理量。1785年库仑仿照研究电场的方法,确立了磁库仑定律:两磁荷间引力和斥力大小与它们的磁荷强度乘积成正比.与它们之间的距离平方成反比,即g。由此定义磁场中某一点的磁场强度为:H=F/q,F为试验磁荷口在磁场中某点所受的磁场力。因而,磁场中某一点的磁场强度,数值上就等于单位正磁荷在该点所受到磁场力。显然.磁场强度的这种定义方法完全是建立在“磁荷”观点基础上的,“磁荷”观点是一个古老的观点,事实上真正的磁荷并不存在。在磁库仑定律确立三十五年以后。奥斯特发现电流对磁针也有磁力作用,从此,人们就揭开了磁的本质。
1820年,丹麦科学家奥斯特(H. C. Oersted)发现通有电流的导线可以使其附近的磁针发生偏转,从而揭示了电与磁的基本关系,诞生了电磁学。实践表明:通有电流的无限长导线在其周围所产生的磁场强弱与电流的大小成正比,与离开导线的距离成反比。定义载有1安培电流的无限长导线在距离导线1米远处的磁场强度为1A/m(安/米),国际单位制SI);在CGS单位制(厘米-克-秒)中,为纪念奥斯特对电磁学的贡献,定义载有1安培电流的无限长导线在距离导线0.2厘米远处的磁场强度为1Oe(奥斯特),10e=1/(4p)´ 103A/m。磁场强度通常用H表示。
设想你暂时只知道磁场是由磁铁产生,也知道牛顿力学,但尚不知道怎么物理上定义“磁场”。有一天,你用电流做实验。你惊讶的发现:通了电的导线能使它附近的小磁针扭转,从而得出了“电流也产生磁场”的结论。
进一步,你通过力学(如平行电流线,扭转力矩等)的测量,你发现:
1. 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
2. 距离不同的点,“磁场”强度随着距离成反比。
这样,你便想要通过力学测量和电流强度定义一个物理量H,2*pi*r*H=I。对形状稍稍推广,你就得到了安培环路定理的一般积分形式。注意这时候不需要用到真空磁导率μ0,因为你只要知道电流I就足以定义H这个物理量,没有理由知道μ0这回事儿。
现在,你有了H,有了“电流能够产生磁场”这个概念,有了安培环路定理。你心满意足,转移了研究兴趣,开始研究带电粒子的受力。对于一定速度的粒子,加上刚才的磁场,通过几何轨道,牛顿力学,你可以测出粒子受的力。你发现受的力和电荷数q以及速度成正比,也和H成正比,但是力F并不直接等于qvH,而是还差一个因子:F=A*q*vⅹH,A只是个待定因子,暂未赋予物理意义。
这个公式多了个外加因子,不好看。现在你开始考虑构建“磁导率”这个概念,因为H只是电流外加给的磁场,你希望通过粒子受力,直接定义一个粒子感受到的磁场——叫它B,使得F= qvⅹB成立。现在你理解的磁导率,就是一个粒子对外界磁场的受力响应程度:磁导率大,那么同样大的外加磁场H使得粒子受力的响应(如偏转)也越大;磁导率如果为零,那么多大的磁场也不会使得粒子有偏转等力学反应,磁导率如果近乎无限大,你只要加一丁点外磁场H,粒子就已经偏转的不亦乐乎了。
你开始管这个磁导率叫μ,并且定义μ=B/H。其中H是(通过电流)外来的,B是使得粒子偏转的响应。这样,磁导率=粒子的响应/外加的场。这个式子有着深刻背景,正是理论物理里线性响应理论的雏形。此外,你发现,粒子处于真空中的时候,这个μ是一个与任何你能想到的物理量都无关的常数,这正是真空磁导率。
目前你已经很有成就了:你通过得到了一个外磁场H,并在真空环境下,把这个磁场作用于带q电荷的粒子,你测量粒子受力F= qvⅹB,并且把测量力F和速度v得到的B值与测量电流I得到的H值相除,你便得到了真空磁导率。
既然知道了B与H单位不同只是由于电流和牛顿力学导致的,现在你为了简化,将二者单位化为相同单位:B=H;这样你就得到了电磁学里更常用的高斯单位制。如果需要换算,随时添加磁导率即可。
现在你通过电流I,把磁场H加到某种材料当中,你所要研究的粒子,不再活在真空,而在材料里活动,它可以是金属里本身自带的电子,也可以是通过外界射束打入的。这都无妨,只需记住现在你要研究的粒子不再在真空,而在介质里。一个粒子受到的力学上的响应,当然是与这个点的总磁场有关。因此,B的意义就变得丰富了,它代表在该点处的总磁场。为什么说“总”磁场呢?考虑空间里的一点,没有材料的时候磁场值为H。现在有了材料,这一点处于材料中,外加场H穿进材料后,材料受H影响产生了一些附加场,在该点处的磁场不再是H了。受外界磁场影响使得材料里也有内部额外磁场的过程,我们叫它“磁化”。我们希望一件事物更加具体,就说把它具体化,希望一个企业有规模,就说把它规模化,同样希望一块材料里面有更多额外磁场,就说把它“磁化”。
进一步,χ>0但是数值不太大的,你命名他为顺磁介质,它顺从的跟着磁场方向嘛;χ>0数值比较大的,就是铁磁介质,由于其他机制(超过深度不加以介绍),外加的磁场产生了很大的内磁场,比用用电流制造永磁铁的过程;χ<0,就是H给材料产生的外加磁场M与H方向相反,所以就是反磁介质,或叫抗磁介质;如果是第一类超导体,它所谓的完全抗磁性,就是这个意思:外加场H,总有感生的内场M,把外场抵消,使得超导体内部磁场为零。物理上看,好像磁场穿不进来一样。
这样,总场B在某点的值,应该是该处的外场值H,与H的感生下产生的额外场M在该点的值的和。写成B(r)=H(r)+M(r), r表示空间处注意这是对任何一点都成立;实际上,如果使用高斯单位制,由于需要考虑了麦克斯韦方程电和磁的对称性,以及球面的立体角,正确的式子是B(r)=H(r)+4πM(r)。如果要换成SI单位制,则是B=μ0[H(r)+M(r)].
这个式子的正确解释是:总磁场等于外加磁场和感生的磁场(就叫它磁化)的矢量和。既然B表示总场,已经考虑了感应产生的磁化M,就叫做B为磁感应强度;H 来源于外场,就叫它磁场强度;M是H磁化感生的,就叫它磁化强度。注意这个式子是普遍的。在线性响应的额外前提下,我们有M=χH成立。
这样,H表示电流产生的外场,B表示总场。它们都有物理意义。物理学家之所以争吵哪个物理量更加基本,也在于此。因为电流和电荷受力,分别产生了H和B,那么谁更加基本的确是个问题。后来电流的微观机制发现,原来电流本质也是电子受力产生的漂移(注意这里是受电场力)。因此受力图像里的B就比电流得来的H更加基本了。有些人说H没有意义,试想,物理学家怎么会定义没有物理意义的物理量呢?
博主考虑:
从上文描述看,认为H和B其实是同一个东西,H是真空中的B,世上的物体磁化率比较大,例如在顺磁性物质中磁场强度会增大,那么就用B表示,其实B就是H乘了一个系数而已。有人说H,B在SI单位制中不一样呀?转到高斯单位制中就一样了。为啥呢?上文已经说得很清楚了
看公式:
B = uH = u*(NI/L),NI/L可看做是单位距离上磁势,或单位距离上磁势的变化;此磁势乘以磁导率便是磁感应强度了。这样就绕开了H,实际上我们在设计变压器或电机时,
参考文献:
http://tieba.baidu.com/p/1021551631