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電機學——磁感應強度和磁場強度區別

很多人學習磁場總是一頭霧水,各種名詞太多,關係混亂而且抽象。我在這裡把從高中物理的靜磁場到黑寶書裡的內容總結出來,也是自己學習過程的一個體現。

首先,用一張圖來總結磁場中電流及電壓的關係

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圖1

這張圖很好的把磁場中的電流及電壓關係展示了出來。 我們先從最難啃的磁芯特性入手。

當你設計電感或者變壓器時,總是會涉及到選取磁芯,拿到產品的datasheet後,總是在前幾頁給你一個B-H圖。如下圖:

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圖2 圖片來自:electronics-tutorials

橫軸為H:磁場強度(Magnetic field intensity) 縱軸為 B:磁感應強度(magnetic
flux intensity)

初學者看到這個圖總是頭很大。What’s that?

先把這個圖變的簡單一些,假設我們在真空中:

是不是一切變得簡單了許多?

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圖3

關於磁場強度H有很多解釋,我比較偏向於把它類比於電場強度,它是一個廢棄的量,至於為什麼廢棄,就是因為人們先前假設有磁荷這種東西,但是後來發現磁場只是電流的另一面,無需深究。

然而磁感應強度B是有特定解釋的:

磁感應強度又叫(磁通密度):表示垂直穿過單位面積的磁力線的多少。既然這裡提到了磁通密度,我們就需要了解一下什麼是磁通,它是磁通量(magnetic flux)的簡稱。磁通量的定義就是磁感線穿過平面S的數量。需要注意的是,一個閉合曲面:球體,穿過其的磁通量為零。

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圖4

好了,瞭解了這幾個概念後我們就可以回到真空中的B-H圖了,圖中直線的斜率就是B磁感應強度和H磁場強度的關係了, 我們把其斜率定義為磁導率µ(permeability)。在真空或者空氣中,µ=1.256*10e(-6)H/m.

那麼問題來了,為什麼圖2 中的B-H線不是直線呢?

<img src="https://pic4.zhimg.com/50/v2-610c6635927e85390d74ba83ebf74fbe_hd.jpg" data-caption="" data-size="normal" data-rawwidth="422" data-rawheight="351" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="422" data-original="https://pic4.zhimg.com/v2-610c6635927e85390d74ba83ebf74fbe_r.jpg">

圖2

B-H曲線也叫遲滯回線(hysteresis loop),這個曲線是鐵磁性材料特有的曲線,如果一個從沒有被磁化的磁鐵,當增加H磁場強度時,它的磁感應強度B會沿著圖中的虛線上升,當到達a點時,即使再增加H,B幾乎沒有很大的改變,這個時候鐵磁材料達到了磁飽和(磁疇方向一致)。當H減小到0時,B將會從a點移動到b點,我們發現它並沒有按原來的路線返回,而是滯後於H的變換,我們叫這種現象為磁滯(hysteresis )。把在b點的剩餘磁感應強度B叫做剩磁(residual magnetism)。當反向增加H到c點時,剩磁為0,我們把H在c點的值稱為矯頑力(Coercive Force),其實它並不是力,它是矯頑力場的簡稱。