磁场强度

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。1

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。1

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45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。1

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。1

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。

在介质中，磁场强度则通常被定义为：2

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。2

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3

在真空中，磁场强度

当有磁介质时，

在其内部

而***,***故式中 为磁化率； 为磁化强度， 。

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2

式中 为传导电流密度；

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。