磁場硬度H、磁感應硬度B、磁化硬度M和磁極化硬度J是四個特別重要的基本概念,她們之間關聯但有時又很容易混淆。分清這四個概念對于磁材行業從業者是十分重要的,明天懂磁帝就為你們細說一下它們的身分和關系。
磁場硬度H
磁場硬度H雖然是一個沒有實際意義的數學量,人們起初定義它的時侯假定有磁荷這些東西,而且后來發覺這個東西并不存在,它只是電壓的另一面。
19世紀20年代科學家有一系列的革命性發覺,這種發覺開啟了現代磁學理論。
英國化學學家漢斯·奧斯特于1820年7月發覺載流導線的電壓會施加斥力于n極,使n極偏轉指向。(奧斯特實驗—電流的磁效應)9月,在這一新聞前往美國科大學僅僅一周以后,安培成功地做實驗展示出,如果所載電壓的流向相同,則兩條平行的載流導線會相互吸引;否則,電壓流向相反,平行導線會相互抵觸。1825年安培發表了安培定理,這是關于電壓和電壓所迸發磁場的磁感線方向之間關系的定則。通過熱學的檢測可以得出長直導線外到導線距離相等的點,n極感遭到的“磁場”強度相同磁力矩做功,距離不同的點“磁場”強度隨著距離成正比。這樣我們通過熱學檢測和電壓硬度來定義磁場硬度H這個數學量,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。
關于磁場硬度H有好多解釋,我們可以簡化地把H理解為一個外磁場(類比于電場硬度,比如借助電壓I將一個磁場H施加到某個物體上)。
磁感應硬度B
磁場硬度只是外加電壓給的一個磁場,而對于磁場內的鐵磁性物質來說,不僅遭到外磁場H的影響,物質內部粒子在外磁場的作用下也會形成一個感生磁場。磁感應硬度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。
在真空中磁感應硬度和外磁場呈反比,B=μ0H,其中μ0為真空磁導率。在鐵磁性物質內部的磁感應硬度B=μ0(H+M),即總磁場等于μ0減去“電流形成的磁場H”加上“介質遭到H磁化后形成的磁場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。
雖然磁感應硬度才是磁極真正的“磁場硬度”,但因為歷史上早已把H稱為磁場硬度了,所以只能給B另起個名子叫磁感應硬度。B與H說的都是“磁場硬度”,但因為定義的形式和導入的方法不同,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)。
磁場硬度H是虛無空間的磁場,它不考慮空間中的物質,它關注的是磁場和形成磁場的源--電壓之間的關系,而磁感應硬度B則是考慮在虛無空間磁場H的基礎上加上實際物質后最終磁場的強弱,它關注的是物質的實際磁場強弱。
磁化硬度M
剛剛我們早已提及了磁化硬度M,它是物質內部粒子在外磁場的作用下形成的一個感生磁場。近代數學證明,原子中的每位電子都在圍繞原子核做軌道運動和載流子運動,這兩種運動都形成磁效應。假如把分子看成一個整體,分子中各個電子對外所形成的磁效應的總和,可以用一個等效的圓電壓來表示,這個等效的圓電壓稱為分子電壓,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載流子磁矩的矢量和。
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;而當磁介質處于外磁場中時,每位分子都遭到一個轉矩,該扭矩促使分子磁矩轉向外磁場的方向,于是,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,或則說磁介質被磁化了。為了描述磁介質的磁化狀態(磁化程度和磁化方向),我們引入磁化硬度矢量M,它表示單位容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的關系,我們定義了磁化率χ=M/H。磁化率大,說明同樣的外磁場能形成更多的內在感生磁場;磁化率小說明雖然外加磁場很大,上面的材料也“懶得理它”,只有微弱的響應。磁化率可正可負,正磁化率χ>0,說明形成的內部磁場M方向與外加磁場H相同,負磁化率χ
磁極化硬度J
上文中我們介紹了磁感應硬度B=μ0(H+M)=μ0H+μ0M,我們把μ0M稱為物質的磁極化硬度,即J=μ0M,它的單位也是T(特斯拉)。磁極化硬度J在數學意義上解釋為單位容積磁性介質的磁偶極矩,俗稱內稟磁感應硬度。符號為Bi或J。從J=μ0M中不難看出,磁極化硬度J和細化硬度M之間的差異,僅在于M乘上一個常數μ0。
在軟磁材料中,磁場硬度的值一般是不小于1000A/m,μ0為4×10-7H/m,而J=B-μ0H,所以磁感應硬度B和磁極化硬度J之間差異很小;但在硬磁性材料中,這些區別是十分明顯的,因而一般會給出B=f(H)和J=f(H)這兩種關系曲線。
為了幫助你們更好地理解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,從圖上你們可以愈發直觀地看出她們的關系和差別。(受繪圖工具和書法水平限制磁力矩做功,曲線并不完全精準,僅供你們了解B、J和M使用)
以上是懂磁帝整合并總結相關書籍、學術論文、網絡資源等各種資料后,對H、B、M、J這四個概念的介紹,如有不妥的地方歡迎你們見諒。