磁感应强度B与磁场强度H的区别,联系与物理意义

磁感应强度 B 与磁场强度 H 的区别，联系与物理意义 从前学普物的时候，提到了磁感应强度 B 与磁场强度 H 这两个概念。因为一直疏于思考， 没有仔细想过两者的异同。教材里说， H 是人为引入的定义，没有物理意义，也没有多想， 全盘接受。至于教材提到的关于 H 与 B 谁更基本的争论，我只记住了这个事实，并没有想 为什么，很是惭愧， 更没有想过为什么这么称呼它们。过去的一年里， 逐渐理解固体里的故 事，现在回想起来，才理顺清楚它们的意义。简言之，H是外场，B总场，它们单位不同仅仅是由于来源不同：前者通过电流的磁效应得 到，后者通过带电粒子在磁场中的运动定义。 B 比 H 更加基本， 是由于电流本身就是带电粒 子的运动产生，所以粒子模型比电流模型更加基本。想我们处于 19 世纪，暂时只知道磁场是由磁铁产生，也知道牛顿力学，但尚不知道怎么物 理上定义 “磁场 ”的大小。1. H 来源于 Ampere 定律。 Ampere 通做电流做实验，发现长直导线外，到导线距离相等的点， “磁场”大小相同；距离不同的点， “磁场”强度随着距离成反比。这里所谓的 “磁场”大小 是通过小磁针扭转力矩等力学方式得到的。这样，通过力学测量和已有的电流强度的定义， 即可定义一个物理量 H，满足2*pi*R*H=l 。推广后就是 Ampere环路定律。此时无需真空磁导率卩0,因为只要知道电流I就能定义H这个物理量。2. B 来源于带电粒子的受力。对于一定速度的粒子，加上H 磁场，通过轨道测量以及牛顿力学，你可以测出粒子受的力。你发现受的力和电荷数q以及速度成正比，也和 H成正比，但是力F并不直接等于qvH，而是还差一个因子： F=A*q*v x H , A只是个待定因子，暂未 赋予物理意义。3. 磁导率如何引入。这样，H 是电流外加给的磁场，通过粒子受力，直接定义一个粒子感受到的磁场，叫它B,为了使得F= qv x B成立。即，外施H场，粒子运动感受到的却是 B场， 这就可以定义磁导率 miu =B/H ， “率”即比例的意思。磁导率，就是粒子运动（受力）与外 界磁的比例，描述前者随着后者的响应。磁导率大，那么同样大的外加磁场H 使得粒子受力的响应（如偏转）也越大；磁导率如果为零（不导磁），那么多大的磁场也不会使得粒子 有偏转等力学反应，磁导率如果近乎无限大，你只要加一丁点外磁场 H,粒子就已经偏转的 不亦乐乎。磁导率 = 粒子的响应 /外加的场。这个式子有着深刻背景，正是理论物理里线性响应理论的 雏形。此外，粒子处于真空中的时候，这个 miu 是一个与任何物理量都无关的常数，这正 是真空磁导率。4. 小结。 H 与 B 单位的不同，仅仅是由于最开始研究力学用的单位，和开始研究电荷、电流 的单位完全独立，导致的一种单位换算。H从I得来，B从F得来，所以看到的是 施H与 受 B”的关系。实际过程还要复杂些，因为先研究的是电场的情形，然后导出了磁场下的情况， 所以我们看到的 卩0是个漂亮的严格值，而真空介电常数，另一种线性响应确实是一个长长 的实验数字。简化， 将二者化为相同单位： B=H ；这样我们就得到了电磁学里更常用的高斯单位制。 如果 需要换算，随时添加磁导率即可。6. 磁化。刚才只考虑单粒子对于磁场的响应。进一步研究介质对于磁场的响应，从石墨烯， 到金属玻璃。逻辑如下：现在通过电流I，把磁场H加到某种材料当中，在材料中的某个带电粒子受到磁场的响应， 当然是与这个点的总磁场有关。外加场 H 穿进材料后，材料受 H 影响产生了一些附加场， 在该点处的磁场不再是 H 了。受外界磁场影响使得材料里也有内部额外磁场的过程，叫它 “磁化”。我们希望一件事物更加具体，就说把它具体化，同样，希望一块材料里面有更多额外 磁场，就说把它 “磁化 ”。7. 磁化率。我们把产生的额外磁场大小叫做M。与磁导率一样，为了研究这个额外的感生磁场M与外加场H的关系，我们定义磁化率x =M/H.磁化率大，说明同样大的外磁场，能产生更多的内在额外磁场；磁化率为很小，说即使外加磁场很大，里面的材料也“懒得理它 ”，只有微弱的响应。 这里要注意两 点。这是你不难发现， 这样定义的磁化率也是线性响应 (输 出正比于输入)的过程。此外，磁化率可正可负。所谓正磁化率x 0，就是说产生的内部磁场 M 方向与外加磁场 H 相同(由自旋导致的 Pauli 顺磁)；负磁化率 x 0，就是材料内部 由于 H 产生的额外磁场 M 和外场 H 方向相反(由轨道导致的 Landau 抗磁)。对于自由电 子气， Pauli 顺磁是 Landau 抗磁的三倍，这样看来，所有材料都该是顺磁。实际上，由于 介质中的电子的轨道运动的惯性质量是有效质量， 从而抗磁材料也得以存在。 如果是第一类 超导体，它所谓的完全抗磁性，就是说外加场H，总有感生的内场 M,把外场抵消，使得超导体内部磁场为零。直观看来好像磁场穿不进来一样。这样，总场B在某点的值，应该是该处的外场值H,与H的感生下介质产生的额外场 M在该点的值的和。写成 B(r)=H(r)+M(r)， r 表示空间处某一点。实际上，如果使用高斯单位制，由于需要考虑了麦克斯韦方程电和磁的对称性，以及球面的立体角，式子是B(r)=H(r)+4 n MS制下则是B=卩OH(r)+M(r).如果要进一步考虑场的传递有限速度以 及由此导致的非定域性，式子还要复杂些，但无外乎时空的积分罢了。8. H 与 B 名称的起源。这个式子的正确解释是：总磁场等于外加磁场和感生的磁场(就叫它磁化)的矢量和。既然 B表示总场，它已经考虑了感应产生的磁化M,就叫做B为磁感应强度；H来源于外场，就叫它磁场强度；M是H通过磁化过程感生的，就叫它磁化强度。注意这个式子是普遍的。在线性响应的额外前提下，我们有M=xH 成立。这样， H 表示电流产生的外场(物理实验上，能够精密控制磁场的就是电流，所以电流产 生的外场就简称为外场)， B 表示总场。它们都有物理意义。物理学家之所以争吵哪个物理 量更加基本，也在于此。因为电流和电荷受力，分别产生了 H和B,那么谁更加基本的确是个问题。 后来电流的微观机制发现， 原来电流本质也是载荷受力产生的漂移 (注意这里是受 电场力)。因此受力图像里的 B 就比电流得来的 H 更加基本了。无论如何， H 已经被赋予 了意义。5方便的高斯制。既然知道了B与H单位不同只是由于电流和牛顿力学导致的，现在为了