磁场强度在历史上最先由
磁荷观点引出。类比于
电荷的
库仑定律,人们认为自然界存在正负两种磁荷,并提出磁荷的
库仑定律。单位正电磁荷在磁场中所受的力被称为磁场强度(符号为H)。后来
安培提出
分子电流假说,认为并不存在磁荷,磁现象的本质是
分子电流。自此磁场的强度多用
磁感应强度(符号为B)表示。但是在
磁介质的
磁化问题中,磁场强度作为一个导出的辅助量仍然发挥着重要作用。
基本释义
磁场强度描写磁场性质的物理量。用H表示。其定义式为,式中B是
磁感应强度,M是磁化强度,μ0是真空中的磁导率,μ0=4π×10-7特斯拉·米/安。H的单位是安/米。在
高斯单位制中H的单位是奥斯特。1安/米=4π×10-3奥斯特。
历史上磁场强度H是从磁荷观点定义的。磁荷观点是从研究
永磁铁相互作用问题中总结出来的。当时还不知道
磁性与
电流的关系,由于条形磁铁有N、S两极,且同性磁极相斥,异性磁极相吸,这一点与正、负电荷之间的相互作用很相似,于是把永磁体与带电体相比较,假设磁极是由磁荷分布形成的。N极上的磁荷叫正磁荷,S极上的磁荷叫负磁荷。同性磁荷相斥,异性磁荷相吸。当
磁极本身的
线度比正、负磁极间的距离小很多时,磁极上的磁荷称为点磁荷。
库仑通过实验得到两个点磁荷之间相互作用力的规律,称为磁库仑定律,表示为,式中k是比例系数,与式中各量的单位选取有关,qm1、qm2表示每个点磁荷的数值,γ是两个点磁荷之间的距离,是两者连线上的单位矢。按照磁荷观点,仿照电场强度的定义规定磁场强度H是这样一个矢量:其大小等于单位点磁荷在磁场中某点所受的力,其方向为正磁荷在该点所受磁场力的方向。表为H=Fm/qm0,式中qm0是试探点磁极的磁荷,Fm为qm0在磁场中所受的磁力。显然,与点电荷的
电场强度公式相对应,点磁荷的磁场强度公式为H=κqm/γ2r。从磁荷观点把H称为磁场强度是合理的,它与E相对应。从
分子电流观点,磁场是电流(运动电荷)产生的,并给电流(运动电荷)以作用力。从
电流元、运动电荷等在磁场中受力的角度反映磁场的性质定义B(B=F最大/I2dl2,B=F最大/qv⊥)。显然,此时B是与电场强度E对应的。B本应叫磁场强度,由于磁场强度一词历史上已被H占用了,所以将B叫磁感应强度。磁荷观点在历史上完全是在与电荷类比中提出的,实验上并没有找到单独存在的磁荷。1931年狄拉克从量子力学观点提出磁单极的存在,当前仍未找到它,但也没有否定它的存在,尚属于研究课题。分子电流观点和磁荷观点二者微观模型不同,但宏观结果完全一样。不管磁荷是否存在,在讨论永磁问题中采用磁荷观点往往比较简便,至今仍有应用价值。
在
顺磁质和
抗磁质中式B=μH成立。由式可知B与H成正比且方向一致。在H具有一定对称性的情况下,可用有介质存在时的
安培环路定理求得H,再用上式求得B。这种方法也可用来近似计算软铁磁材料中的H、B。在
硬磁材料中一般H、B、M方向均不同,它们之间的关系只能用式H=B/μ0-M表示。
计算公式
定义
磁荷意义下,磁场强度的定义为:
与电场强度类似。
式中 为磁化强度。
在
国际单位制(SI)中,磁场强度的单位为安[培]/米( ),量纲为 ;在高斯单位制(CGS)中,磁场强度单位是奥[斯特]( )。1安/米相当于 奥。
简易定义:把磁场中某点磁感应强度B与介质磁导率μ的比值叫作该点的磁场强度。
磁场强度由磁感应强度与磁导率定义而来,起辅助作用,重要的是理解后两者。
介质中的磁场强度
在
恒定磁场中磁场强度的闭合环路积分仅与环路所链环的传导电流 有关而不含束缚
分子电流,即
在其内部
麦克斯韦方程组
在
时变电磁场中,磁场强度的闭合环路积分与环路所链环的全电流有关,但仍不包括束缚
分子电流,即
全电流由传导电流 与
位移电流 组成。此式的
微分形式为
为
电位移矢量 的时间变化率,即位移电流密度,其面积积分为 。
磁路中磁场强度的计算公式
磁场强度的计算公式:
其中H为磁场强度,单位为A/m;N为励磁线圈的匝数;I为
励磁电流(测量值),单位为A;Le为测试样品的有效磁路长度,单位为m。
历史
虽然很早以前,人类就已知道磁石和其奥妙的磁性,最早出现的几个学术性论述之一,是由法国学者皮埃·德马立克(Pierre de Maricourt)于公元1269 年写成。德马立克仔细标明了铁针在块型磁石附近各个位置的
定向,从这些记号,又描绘出很多条磁场线。他发现这些磁场线相会于磁石的相反两端位置,就好像地球的
经线相会于
南极与
北极。因此,他称这两位置为
磁极。几乎三个世纪后,
威廉·吉尔伯特主张地球本身就是一个大磁石,其两个磁极分别位于南极与北极。出版于1600 年,吉尔伯特的巨著《论磁石》(De Magnete)开创磁学为一门正统科学学术领域。
于1824年,西莫恩·泊松发展出一种物理模型,比较能够描述磁场。泊松认为磁性是由
磁荷产生的,同类磁荷相排斥,异类磁荷相吸引。他的模型完全类比现代静电模型;磁荷产生磁场,就如同电荷产生电场一般。这理论甚至能够正确地预测储存于磁场的能量。
尽管泊松模型有其成功之处,这模型也有两点严峻瑕疵。第一,磁荷并不存在。将磁铁切为两半,并不会造成两个分离的磁极,所得到的两个分离的磁铁,每一个都有自己的指南极和指北极。第二,这模型不能解释电场与磁场之间的奇异关系。
于1820年,一系列的革命性发现,促使开启了现代磁学理论。首先,丹麦物理学家
汉斯·奥斯特于7月发现载流导线的
电流会施加
作用力于磁针,使磁针偏转指向。稍后,于9月,在这新闻抵达
法国科学院仅仅一周之后,安德烈-玛丽·安培成功地做实验展示出,假若所载电流的流向相同,则两条平行的载流导线会互相吸引;否则,假若流向相反,则会互相排斥。紧接着,法国物理学家
让-巴蒂斯特·毕奥和
菲利克斯·沙伐于10月共同发表了
毕奥-萨伐尔定律;这定律能够正确地计算出在载流导线四周的磁场。
1825年,安培又发表了
安培定律。这定律也能够描述载流导线产生的磁场。更重要的,这定律帮助建立整个电磁理论的基础。于1831年,
麦可·法拉第证实,随着时间演进而变化的磁场会生成电场。这实验结果展示出电与磁之间更密切的关系。
从1861年到1865之间,
詹姆斯·麦克斯韦将经典电学和磁学杂乱无章的方程加以整合,发展成功
麦克斯韦方程组。最先发表于他的1861年论文《
论物理力线》,这方程组能够解释经典电学和磁学的各种现象。在论文里,他提出了“分子涡流模型”,并成功地将安培定律加以延伸,增加入了一个有关于
位移电流的项目,称为“麦克斯韦修正项目”。由于分子涡包具有
弹性,这模型可以描述
电磁波的物理行为。因此,麦克斯韦推导出电磁波方程。他又计算出电磁波的传播速度,发现这数值与
光速非常接近。警觉的麦克斯韦立刻断定
光波就是一种电磁波。后来,于1887年,
海因里希·赫兹做实验证明了这事实。麦克斯韦统一了电学、磁学、
光学理论。
虽然,有了极具功能的麦克斯韦方程组,经典
电动力学基本上已经完备,在理论方面,二十世纪带来了更多的改良与延伸。
阿尔伯特·爱因斯坦,于1905年,在他的论文里表明,电场和磁场是处于不同参考系的观察者所观察到的同样现象(帮助爱因斯坦发展出
狭义相对论的
思想实验,关于其详尽细节,请参阅移动中的磁铁与导体问题)。后来,电动力学又与量子力学合并为量子电动力学。