磁場強度H、磁感應強度B、磁化強度M和磁極化強度J是四個非常重要的基本概念,他們之間關聯但有時又很容易混淆。分清這四個概念對於磁材行業從業者是非常重要的,今天懂磁帝就為大家細說一下它們的身份和關係。
磁場強度H
磁場強度H其實是一個沒有實際意義的物理量,人們先前定義它的時候假設有磁荷這種東西,但是後來發現這個東西並不存在,它只是電流的另一面。
19世紀20年代科學家有一系列的革命性發現,這些發現開啟了現代磁學理論。
丹麥物理學家漢斯·奧斯特於1820年7月發現載流導線的電流會施加作用力於磁針,使磁針偏轉指向。(奧斯特實驗—電流的磁效應)9月,在這一新聞抵達法國科學院僅僅一周之後,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,電流流向相反,平行導線會互相排斥。1825年安培發表了安培定律,這是關於電流和電流所激發磁場的磁感線方向之間關係的定則。通過力學的測量可以得出長直導線外到導線距離相等的點,磁針感受到的「磁場」強度相同,距離不同的點「磁場」強度隨著距離成反比。這樣我們通過力學測量和電流強度來定義磁場強度H這個物理量,它的單位是安A/米m,在高斯單位制中H的單位是Oe奧斯特,1A/m=4π×10-3Oe。
關於磁場強度H有很多解釋,我們可以簡化地把H理解為一個外磁場(類比於電場強度,例如利用電流I將一個磁場H施加到某個物體上)。
磁感應強度B
磁場強度只是外加電流給的一個磁場,而對於磁場內的鐵磁性物質來說,除了受到外磁場H的影響,物質內部粒子在外磁場的作用下也會產生一個感生磁場。磁感應強度B表示一個粒子「感受」到總磁場,是外加磁場H和此時感生磁場M的總和。
在真空中磁感應強度和外磁場呈正比,B=μ0H,其中μ0為真空磁導率。在鐵磁性物質內部的磁感應強度 B=μ0(H+M),即總磁場等於μ0乘以「電流產生的磁場H」加上「介質受到H磁化後產生的磁場M」之和。B的單位是特斯拉T,在高斯單位制中單位是高斯Gs,1T=10KGs。
其實磁感應強度才是磁體真正的「磁場強度」,但由於歷史上已經把H稱為磁場強度了,所以只能給B另起個名字叫磁感應強度。B與H說的都是「磁場強度」,但由於定義的方式和導出的方式不同,它們的單位是不同的(高斯制下B的單位是高斯Gs,H的單位是奧斯特Oe,1Oe=1×10-4Wb·m-2=1×10-4T=1Gs)。
磁場強度H是虛無空間的磁場,它不考慮空間中的物質,它關注的是磁場和產生磁場的源--電流之間的關係,而磁感應強度B則是考慮在虛無空間磁場H的基礎上加上實際物質後最終磁場的強弱,它關注的是物質的實際磁場強弱。
磁化強度M
剛才我們已經提到了磁化強度M,它是物質內部粒子在外磁場的作用下產生的一個感生磁場。近代物理證明,原子中的每個電子都在圍繞原子核做軌道運動和自旋運動,這兩種運動都產生磁效應。如果把分子看成一個整體,分子中各個電子對外所產生的磁效應的總和,可以用一個等效的圓電流來表示,這個等效的圓電流稱為分子電流,其相應的磁矩稱為分子磁矩,用pm來表示,它是分子中各個電子軌道磁矩和自旋磁矩的矢量和。
在無外磁場時,磁介質內部任一體積元內所有分子磁矩的矢量和為零, 物質對外不顯示磁性;而當磁介質處於外磁場中時,每個分子都受到一個力矩,該力矩迫使分子磁矩轉向外磁場的方向,於是,在外磁場的作用下,任一體積元內所有分子磁矩的矢量和不為零。這樣,磁介質對外就顯示出一定的磁性,或者說磁介質被磁化了。 為了描述磁介質的磁化狀態(磁化程度和磁化方向),我們引入磁化強度矢量M,它表示單位體積內所有分子磁矩的矢量和,單位是A/m(高斯制下M的單位是高斯Gs)。
為了研究這個感生的磁場M與外加場H的關係,我們定義了磁化率χ=M/H。磁化率大,說明同樣的外磁場能產生更多的內在感生磁場;磁化率小說明即使外加磁場很大,裡面的材料也「懶得理它」,只有微弱的響應。磁化率可正可負,正磁化率χ>0,說明產生的內部磁場M方向與外加磁場H相同,負磁化率χ<0,則材料內部由於H產生的額外磁場M和外場H方向相反。
磁極化強度J
上文中我們介紹了磁感應強度 B=μ0(H+M)=μ0H+μ0M,我們把μ0M稱為物質的磁極化強度,即J=μ0M,它的單位也是T(特斯拉)。磁極化強度J在物理意義上解釋為單位體積磁性介質的磁偶極矩,也稱內稟磁感應強度。符號為Bi或J。從J=μ0M中不難看出,磁極化強度J和細化強度M之間的差別,僅在於M乘上一個常數μ0。
在軟磁材料中,磁場強度的值通常是不大於1000A/m,μ0為4×10-7H/m,而J=B-μ0H,所以磁感應強度B和磁極化強度J之間差別很小;但在硬磁性材料中,這種區別是非常顯著的,因此通常會給出B=f(H)和J=f(H)這兩種關係曲線。
為了幫助大家更好地理解B、J和M這三個概念,懂磁帝找到了物質的三種磁化曲線與三種磁滯回線圖,從圖上大家可以更加直觀地看出他們的關係和差異。(受繪圖工具和繪畫水平限制,曲線並不完全精準,僅供大家了解B、J和M使用)
以上是懂磁帝整合併總結相關書籍、學術論文、網絡資源等各類資料後,對H、B、M、J這四個概念的介紹,如有不妥的地方歡迎大家指正。