有關(guān)磁場的小知識

磁鐵和磁力在我們的日常生活中無處不在，磁針可以幫助我們在不熟悉的地方找到方向，而冰箱貼可以將孩子的畫固定在冰箱門上。除了這些常見的例子，磁場還在宇宙中扮演著重要角色。有時候，磁場會對周圍環(huán)境產(chǎn)生重大的影響，比如在危險的磁星環(huán)境，以及用途很廣的核磁共振掃描儀。不過，在大多數(shù)情況下，磁場只是簡單地存在，并受到其他更強(qiáng)作用力的影響。雖然不是很起眼，但在生活中卻發(fā)揮了很大的作用。這里我們首先簡單介紹它們的定義和概念。

在自然界中無處不存在電場和磁場，在帶電物體的周圍必然會存在電場，在電場的作用下，周圍的物體都會感應(yīng)帶電；同樣在帶磁物體的周圍必然會存在磁場，在磁場的作用下，周圍的物體也都會被感應(yīng)產(chǎn)生磁通?，F(xiàn)代磁學(xué)研究表明：一切磁現(xiàn)象都起源于電流。磁性材料或磁感應(yīng)也不例外，鐵磁現(xiàn)象的起源是由于材料內(nèi)部原子核外電子運(yùn)動形成的微電流，亦稱分子電流，這些微電流的集合效應(yīng)使得材料對外呈現(xiàn)各種各樣的宏觀磁特性。因?yàn)槊恳粋€微電流都產(chǎn)生磁效應(yīng)，所以把一個單位微電流稱為一個磁偶極子。因此，磁場強(qiáng)度的大小與磁偶極子的分布有關(guān)。

在宏觀條件下，磁場強(qiáng)度可以定義為空間某處磁場的大小。我們知道，電場強(qiáng)度的概念是用單位電荷在電場中所產(chǎn)生的作用力來定義的，而在磁場中就很難找到一個類似于“單位電荷”或“單位磁場”的帶磁物質(zhì)來定義磁場強(qiáng)度，為此，電場強(qiáng)度的定義只好借用流過單位長度導(dǎo)體電流的概念來定義磁場強(qiáng)度，但這個概念本應(yīng)該是用來定義電磁感應(yīng)強(qiáng)度的，因?yàn)殡姶艌鍪强梢曰ハ喈a(chǎn)生感應(yīng)的。

幸好，電磁感應(yīng)強(qiáng)度不但與流過單位長度導(dǎo)體的電流大小相關(guān)，而且還與介質(zhì)的屬性有關(guān)。所以，電磁感應(yīng)強(qiáng)度可以在磁場強(qiáng)度的基礎(chǔ)上再乘以一個代表介質(zhì)屬性的系數(shù)來表示。這個代表介質(zhì)屬性的系數(shù)人們把它稱為導(dǎo)磁率。

在電磁場理論中，磁場強(qiáng)度H的定義為：在真空中垂直于磁場方向的通電直導(dǎo)線，受到的磁場的作用力F跟電流I和導(dǎo)線長度 的乘積I 的比值，稱為通電直導(dǎo)線所在處的磁場強(qiáng)度。或：在真空中垂直于磁場方向的1米長的導(dǎo)線，通過1安培的電流，受到磁場的作用力為1牛頓時，通過導(dǎo)線所在處的磁場強(qiáng)度就是1奧斯特(Oersted)。

磁感應(yīng)強(qiáng)度是指描述磁場強(qiáng)弱和方向的物理量，是矢量，常用符號B表示，國際通用單位為特斯拉（符號為T）。磁感應(yīng)強(qiáng)度也被稱為磁通量密度或磁通密度。在物理學(xué)中磁場的強(qiáng)弱使用磁感應(yīng)強(qiáng)度來表示，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大表示磁感應(yīng)越強(qiáng)。磁感應(yīng)強(qiáng)度越小，表示磁感應(yīng)越弱。由于在真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度在數(shù)值上完全相等，因此，磁感應(yīng)強(qiáng)度在真空中的定義與磁場強(qiáng)度在真空中的定義是完全相同的。所不同的是磁場強(qiáng)度H與介質(zhì)的屬性無關(guān)，而磁感應(yīng)強(qiáng)度B卻與介質(zhì)的屬性有關(guān)。但很多書上都用上面定義磁場強(qiáng)度的方法來定義電磁感應(yīng)強(qiáng)度，這是很不合理的；因?yàn)?，電磁感?yīng)強(qiáng)度與介質(zhì)的屬性有關(guān)，那么，比如在固體介質(zhì)中，人們就很難用通電直導(dǎo)線的方法來測量通電直導(dǎo)線在磁場中所受的力，既然不能測量，就不應(yīng)該假設(shè)它所受的力與介質(zhì)的屬性有關(guān)。其實(shí)介質(zhì)的導(dǎo)磁率也不是通過作用力來測量的，而是通過電磁感應(yīng)的方法來測量的。

電磁感應(yīng)強(qiáng)度一般簡稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁場強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B由下面公式表示：

磁場強(qiáng)度H = F/I*l (2-1)

磁感應(yīng)強(qiáng)度B = μ*H (2-2)

(2-1)式中磁場強(qiáng)度H的單位為奧斯特(Oe)，力F的單位為牛頓(N)，電流I的單位為安培(A)，導(dǎo)線長度l 的單位為米(m)。(2-2)式中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位為特斯拉(T)， μ為導(dǎo)磁率，單位為亨/米(H/m)，在真空中的導(dǎo)磁率記為u0 ，u0 = 1。由于特斯拉的單位太大，人們經(jīng)常使用高斯(Gs)作為磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位。1特斯拉等于10000高斯(1T=104Gs)。由于磁現(xiàn)象可以形象地用磁力線來表示，故磁感應(yīng)強(qiáng)度B又可定義為磁力線通量的密度，即：單位面積內(nèi)的磁力線通量。磁力線通量密度可簡稱為磁通密度，因此，電磁感應(yīng)強(qiáng)度又可以表示為：

磁通密度B = Φ/S (2-3)

(2-3)式中，磁通密度B的單位為特斯拉(T)，磁通量Φ 的單位為韋伯(Wb)，面積的單位為平方米(m2)。如果磁通密度B用高斯(Gs)為單位，則磁通量的單位為麥克斯韋(Mx)，面積的單位為平方厘米(cm2)。其中，1特斯拉等于10000高斯(1T = 104Gs)，1韋伯等于10000麥克斯韋(1Wb = 10的4次方Mx)。

電磁感應(yīng)強(qiáng)度除了可以稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通密度外，很多人還把它稱為磁感密度。至此，已經(jīng)說明，電磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁通密度B、磁感應(yīng)密度B等，在概念上是完全可以通用的。順便說明，在其它書上有人把磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定義為：B = μ0 (H+M)，其中H和M分別是磁化強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度，而μ0是真空導(dǎo)磁率。為了簡單，在這本書中我們不準(zhǔn)備引入太多的其它概念，如有特別需要，可通過(2-2)式的定義來與其它概念進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的概念一直以來都比較混亂，這是有歷史原因的。1900年，國際電學(xué)家大會贊同美國電氣工程師協(xié)會(AIEE)的提案，決定CGSM制磁場強(qiáng)度的單位名稱為高斯，這實(shí)際上是一場誤會。AIEE原來的提案是把高斯作為磁通密度B的單位，由于翻譯成法文時誤譯為磁場強(qiáng)度，造成了混淆。當(dāng)時的CGSM制和高斯單位制中真空磁導(dǎo)率μ0是無量綱的純數(shù)1，所以，真空中的B和H沒有什么區(qū)別，致使一度B和H都用同一個單位——高斯。1930年7月，國際電工委員會才在廣泛討論的基礎(chǔ)上作出決定：真空磁導(dǎo)率μ0有量綱，B和H性質(zhì)不同，B和D對應(yīng)，H和E對應(yīng)，在CGSM單位制中以高斯作為B的單位，以奧斯特作為H的單位。直至1960年第十一屆國際計量大會決定：將六個基本單位為基礎(chǔ)的單位制，即米、千克、秒、安培、開爾文和坎德拉，命名為國際單位制，并以SI(法文Le System International el'Unites的縮寫)表示，磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的概念才基本得到統(tǒng)一。

由于歷史的原因，在電磁單位制中還經(jīng)常使用兩種單位制，一種是SI國際單位制，另一種CGSM(厘米、克、秒)絕對單位制；兩個單位的主要區(qū)別是，在CGSM單位制中真空導(dǎo)磁率 μ0=1，在SI單位制中真空導(dǎo)磁率μ0 =4π*10^-7。因此，只需要在CGSM單位制前面乘以一個系數(shù)μ0 =4π*10^-7。，即可把CGSM單位制轉(zhuǎn)換成SI單位制，一般可寫成uu0 或uru0 ，看到這個符號即可知道是采用SI單位制；但這里的u或ur一般稱為相對導(dǎo)磁率，是一個不帶單位的系數(shù)，而u0 則要帶單位。這里還需要強(qiáng)調(diào)指出，用來代表介質(zhì)屬性的導(dǎo)磁率并不是一個常數(shù)，而是一個非線性函數(shù)，它不但與介質(zhì)以及磁場強(qiáng)度有關(guān)，而且與溫度還有關(guān)。因此，導(dǎo)磁率所定義的并不是一個簡單的系數(shù)，而是人們正在利用它來掩蓋住人類至今還沒有完全揭示的，磁場強(qiáng)度與電磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的內(nèi)在關(guān)系。不過為了簡單，當(dāng)我們對磁場強(qiáng)度與電磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分析的時候，還是可以把導(dǎo)磁率當(dāng)成一個常數(shù)來看待，或者取它的平均值或有效值來進(jìn)行計算。

審核編輯黃昊宇