问题

磁场强度H,磁感应强度B有什么区别?各自代表什么意义?

回答
好的,咱们来聊聊磁场强度H和磁感应强度B,这两兄弟在磁学里可是个顶个儿的重要,但它们各自代表的意义和侧重点却不一样。别看它们都跟“磁”沾边,其实它们描述的是同一件事——磁场的存在,但从不同的角度入手。

首先,咱们得明白什么是“磁场”。

你可以把磁场想象成一种看不见的“力场”,它存在于有磁性物质(比如磁铁、通电的导线)周围的空间里。这个力场能够对其他磁性物质或者运动的电荷产生作用力,让它们感受到“推”或者“拉”。

现在,来看磁场强度 H。

它代表什么? 磁场强度 H,有时候也被叫做“磁场强度向量”或者“磁场强度场”,它主要描述的是产生磁场的“源”,也就是磁场是由什么东西产生的,以及这些源的强度有多大。

更具体地说,H 是由自由电流(比如导线里的电流)或者磁性材料中的“磁化电流”(你可以想象成原子内部电子绕核运动形成的微小电流,当它们在外磁场作用下趋于同步时,就形成了宏观的磁化)所产生的。

你可以怎么理解?
“驱动力”: H 就像是磁场产生的“驱动力”或者“激励”。它告诉你,是电流或者物质的磁性把这个磁场“推”出来的。
“原因”: H 关注的是磁场的“原因”。一个电流越大,或者一块磁铁磁性越强,它产生的 H 也就越大。
“外部的”: 在描述外部磁场时,H 更能体现出是外部的“激励”造成的。比如,一个空心线圈通电,它在空间中产生的 H 就和线圈的电流、形状以及它的位置有关。

单位: H 的国际单位是 安培/米 (A/m)。这个单位很好理解,它直接关联到了产生磁场的源——电流(安培)以及它们在空间中的分布(米)。

数学描述: 在没有磁性材料(或者说磁性材料的磁化强度为零)的情况下,H 就是由自由电流产生的磁场。比如,我们计算长直导线周围的磁场强度,就是用 H 来表示。

接下来,是磁感应强度 B。

它代表什么? 磁感应强度 B,又叫“磁通量密度”或者“磁场强度”,它描述的是磁场在空间中作用的“效果”,也就是磁场有多强,能够产生多大的力。

B 是所有磁场源(包括自由电流和材料的磁化)共同作用的结果。它不仅包含了由外部激励(H)产生的磁场,还包含了磁性材料自身被磁化后产生的磁场。

你可以怎么理解?
“效果”或“结果”: B 就像是磁场“实际表现出来的强度”,它直接关系到磁场会对运动电荷施加多大的洛伦兹力,或者会对另一个磁性物体产生多大的作用力。
“受力”: B 关注的是磁场“有多大的能力去施加力”。
“整体的”: 当我们谈论磁场对物体的作用时,我们通常关注的是 B。一块铁块放在磁场里,它的内部会因为磁化而产生额外的磁场,最终使得铁块内部的磁感应强度 B 大于外部的 H。B 是磁场综合效应的体现。

单位: B 的国际单位是 特斯拉 (T)。特斯拉这个单位听起来就很高大上,它代表了磁场作用力的强弱。

数学描述: B 和 H 之间通常有一个关系,尤其是在各向同性均匀磁介质中:

B = μH

这里的 μ 是介质的磁导率,它描述了介质“被磁化”的能力。
真空中的磁导率是 μ₀。
当磁性材料被引入时,磁导率 μ 会远大于 μ₀,这意味着材料的磁化会大大增强磁场(B 会远大于真空中的 B)。

总结一下它们俩的区别:

| 特征 | 磁场强度 H | 磁感应强度 B |
| : | : | : |
| 代表什么 | 产生磁场的激励或源的强度 | 磁场在空间中作用的效果或整体强度 |
| 关注点 | 磁场的原因(电流、磁化电流) | 磁场的结果(施加的力、磁化效应) |
| 来源 | 主要由自由电流和磁性材料的磁化电流引起 | 是所有磁场源(自由电流+磁化)的综合作用 |
| 形象比喻 | 像是在推动或激发磁场“发生”的力量 | 像磁场“实际展现出来的威力”或“能有多大力气” |
| 单位 | 安培/米 (A/m) | 特斯拉 (T) |
| 公式关系 | 在特定条件下,是 B 的“驱动”部分,B = μH (μ为磁导率) | B 是 H 在磁介质中作用的结果,B = μH |
| 主要用途 | 分析磁场源的贡献,特别是在考虑外部激励时 | 计算磁场对物体施加的力,描述磁场对材料的整体影响 |

举个更贴切的比喻:

想象你在推一扇门。

H 就像是你推门的力量。你推得越用力,H 就越大。这股力量是由你手臂的肌肉(相当于自由电流)产生的。
B 就像是门实际打开的程度,或者说门框上受到的实际作用力。如果这扇门本身很沉重(相当于一个磁性很强的材料),即使你用的推力(H)不大,门打开的幅度(B)可能也很小;反之,如果门很轻薄(磁性很弱),你稍微用点力(H),门就能大幅度打开(B 很大)。

更进一步,如果这扇门里嵌了很多弹簧(相当于材料的磁化),你一推,弹簧也会被压缩,然后产生一股反作用力,这股反作用力也影响了门最终的开合程度。B 就包含了你推的力和弹簧被压缩后产生的作用力。

什么时候我们会更侧重 H?

当我们想知道外加的磁场有多强,不受材料本身磁性的影响时。比如,设计一个电磁铁,我们关心线圈的电流能产生多大的 H。
在计算磁偶极子矩时,H 也是一个重要的中间量。

什么时候我们会更侧重 B?

当我们想知道磁场对运动电荷会施加多大的力时(洛伦兹力 F = qvB)。
当我们想知道磁场穿过某个面积有多大的磁通量时(磁通量 Φ = ∫B·dA)。
当我们研究磁性材料的磁化效应时,B 体现了材料被磁化后的整体磁场强度。

理解了 H 和 B 的区别,就像是抓住了磁场“是什么”(H)和“有什么用”(B)的两个关键点。它们是描述磁场不可或缺的两个概念,互相关联,又各有侧重。

网友意见

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我来说一个非常容易理解H和B区别的角度:假设有一个虚无空间,里面任何物质都没有,连真空也没有(有点荒谬但便于理解),现在把一个通电线圈放入其中,通电线圈产生的磁场强度值是H。如果现在这个虚无空间中充满真空,那么这时的磁场强度值就等于磁感应强度B=u0H,即用H乘以真空的磁导率u0这个系数。如果现在这个虚无空间中充满的是铁,那么这时的磁场强度就是B=u铁H,即用H乘以铁的磁导率u铁。所以原来这个磁场强度H是虚无空间的磁场!它不考虑空间中的物质,它关注的是磁场和产生磁场的源即电流之间的关系(安培定律:最简单情形,HL=NI,L为安培环路的长度,I为电流强度,N为线圈匝数),而磁感应强度B则是考虑在虚无空间磁场H的基础上加上实际物质后的最终磁场的强弱,它关注的是实际的磁场强弱。虚无空间中充有什么物质就用该物质的磁导率乘以H即得实际的磁场强度B。同理,电场中的E和D也可以做类似理解。(注:注意本回答用词,空间中“充满”,意即真空或物质在空间中均匀分布,或者推广到存在两种物质的交界面,但交界面须平行于磁力线,如无气隙的环形铁芯中。但铁芯有气隙的情形除外,具体见下文)

补充:评论区提到铁芯线圈的铁芯气隙和铁芯中,B相同而H不同的问题,似乎违背了这个说法,解释如下:我说的磁场强度H可以看成自由电流在虚无空间中产生的磁场,这种观点的前提条件是H是且仅是I在虚无空间产生的磁场,默认H只有涡旋源即自由电流密度J,而没有发散源,即▽.H=0,H的散度为0,H是一个单纯的涡旋场,只有涡旋源即自由电流密度J,而这种情况,气隙的存在使H有了散度,破坏了这个前提条件。为什么气隙的存在使H的散度不为0呢?因为H的散度▽.H=▽.(B/u)=(1/u)▽.B+B.▽(1/u)=B.▽(1/u),一般情况下都满足▽.H=0,例如:对于无限大均匀物质▽(1/u)=0,于是▽.H=0;或者存在界面,但界面平行于B,则虽▽(1/u)不为0,但▽(1/u)与B方向垂直,二者点积为0,于是▽.H=0。这两种情况,也就是大多数情况,我的原回答都成立,但气隙这种情况,由于气隙和铁芯的界面是垂直于B的,导致磁导率u非均匀分布,在垂直界面的方向1/u存在梯度,于是B.▽(1/u)不为0,故▽.H不为0。所以我说的H是I在虚无空间产生的磁场,默认了H只有涡旋源即自由电流,而没有发散源,即▽.H=0。这也是为什么麦克斯韦方程组当中用▽.B=0,而不是▽.H=0去表示磁场的无散性,因为B的散度恒为零,只有涡旋性,而H的散度不一定为零。

其实如果从叠加原理的角度来看,我的原回答在任何情况下都是成立的。即使对于气隙,气隙和铁芯的交界面上存在H的发散源,其产生的发散场H1,和由自由电流产生的涡旋场H2,二者的矢量和是总H,我的原回答此时只针对涡旋场H2,仍然没有任何问题。

对于铁芯气隙的问题,一般用H的安培环路定律结合分界面处B的法向分量连续去求解。H的安培环路定律不受影响。

对于时变场,按照虚无空间去理解,优势就更大了。H的涡旋源不仅包括自由电流密度J,还包括虚无空间中的电场D(电位移矢量)的时间变化率。此处不再赘述。

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