磁極化強(qiáng)度(J)和磁感應(yīng)強(qiáng)度(B)

在介紹這兩個(gè)指標(biāo)之前，我們先簡(jiǎn)單介紹一下磁現(xiàn)象。

磁是什么？

一般提起磁，有些人都覺(jué)得磁是較為少見(jiàn)的，好象主要就是磁石或磁鐵吸引鐵，如圖1中磁鐵吸引鐵粉，和指南針指示南北方向，如圖2中顯示的古代指南器(司南)模型，可以指示南北方向，而把一般物質(zhì)稱為無(wú)磁性或非磁性。

圖1　磁鐵吸引鐵粉

圖2　司南模型

情況真是這樣嗎？現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)表明這樣的看法是不對(duì)的?，F(xiàn)代科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)充分證實(shí)：任何物質(zhì)都具有磁性，只是有的物質(zhì)磁性強(qiáng)，有的物質(zhì)磁性弱；任何空間都存在磁場(chǎng)，只是有的空間磁場(chǎng)高，有的空間磁場(chǎng)低。所以說(shuō)包含物質(zhì)磁性和空間磁場(chǎng)的磁現(xiàn)象是普遍存在的。

我們的生活每時(shí)每刻都和磁性有關(guān)。沒(méi)有它，我們就無(wú)法看電視、聽(tīng)收音機(jī)、打電話；沒(méi)有它，連夜晚甚至都是一片漆黑。

人類雖然很早就認(rèn)識(shí)到磁現(xiàn)象，但直到了現(xiàn)代，人們對(duì)磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)才逐漸系統(tǒng)化，發(fā)明了不計(jì)其數(shù)的電磁儀器，象電話、無(wú)線電、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等。如今，磁技術(shù)已經(jīng)滲透到了我們的日常生活和工農(nóng)業(yè)技術(shù)的各個(gè)方面，我們已經(jīng)越來(lái)越離不開(kāi)磁性材料的廣泛應(yīng)用。

由于物質(zhì)的磁性既看不到，也摸不著，我們無(wú)法通過(guò)自己的五種感官（聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)）直接體會(huì)磁性的存在，但人們還是在實(shí)踐中逐步揭開(kāi)了其神秘面紗。

磁鐵總有兩個(gè)磁極，一個(gè)是N極，另一個(gè)是S極。一塊磁鐵，如果從中間鋸開(kāi)，它就變成了兩塊磁鐵，它們各有一對(duì)磁極。不論把磁鐵分割得多么小，它總是有N極和S極，也就是說(shuō)N極和S極總是成對(duì)出現(xiàn)，無(wú)法讓一塊磁鐵只有N極或只有S極。

磁極之間有相互作用，即同性相斥、異性相吸。也就是說(shuō)，N極和S極靠近時(shí)回相互吸引，而N極和N極靠近時(shí)回互相排斥。知道了這一點(diǎn)，我們就明白了為什么指南針會(huì)自動(dòng)指示方向。原來(lái)，地球就是一塊巨大的磁鐵，它的N極在地理的南極附近，而S極在地理的北極附近。

這樣，如果把一塊長(zhǎng)條形的磁鐵用細(xì)線從中間懸掛起來(lái)，讓它自由轉(zhuǎn)動(dòng)，那么，磁鐵的N極就會(huì)和地球的S極互相吸引，磁鐵的S極和地球的N極互相吸引，使得磁鐵方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到磁鐵的N極和S極分別指向地球的S極和N極為止。這時(shí)，磁鐵的N極所指示的方向就是地理的北極附近。

物質(zhì)的磁性不但是普遍存在的，而且是多種多樣的，并因此得到廣泛的研究和應(yīng)用。近自我們的身體和周邊的物質(zhì)，遠(yuǎn)至各種星體和星際中的物質(zhì)，微觀世界的原子、原子核和基本粒子，宏觀世界的各種材料，都具有這樣或那樣的磁性。

世界上的物質(zhì)究竟有多少種磁性呢？一般說(shuō)來(lái)，物質(zhì)的磁性可以分為弱磁性和強(qiáng)磁性，再根據(jù)磁性的不同特點(diǎn)，弱磁性又分為抗磁性、順磁性和反鐵磁性，強(qiáng)磁性又分為鐵磁性和亞鐵磁性。這些都是宏觀物質(zhì)的原子中的電子產(chǎn)生的磁性，原子中的原子核也具有磁性，稱為核磁性。

但是核磁性只有電子磁性的約千分之一或更低，故一般講物質(zhì)磁性和原子磁性都主要考慮原子中的電子磁性。原子核的磁性很低是由于原子核的質(zhì)量遠(yuǎn)高于電子的質(zhì)量，而且原子核磁性在一定條件下仍有著重要的應(yīng)用，例如現(xiàn)在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的核磁共振成像(也常稱磁共振CT，CT是計(jì)算機(jī)化層析成像的英文名詞的縮寫)，便是應(yīng)用氫原子核的磁性。

怎樣表示物質(zhì)磁性的強(qiáng)弱呢？為什么吸鐵石并沒(méi)有接觸鋼鐵就可以吸引它？在一塊硬紙板的下面放兩塊磁鐵，并且讓它們的S極相對(duì)。紙板上面撒一些細(xì)的鐵粉末。看會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？鐵的粉末會(huì)自動(dòng)排列起來(lái)，形成一串串曲線的樣子。其中，N極和S極之間的曲線是連續(xù)的，也就是說(shuō)曲線從N極直至S極。而S極和S極之間的曲線互相排斥，不能融合和貫穿。

這種現(xiàn)象說(shuō)明，磁鐵的磁極之間存在某種聯(lián)系。因此，我們可以假想，在磁極之間存在著一種曲線，它代表著磁極之間相互作用的強(qiáng)弱。這種假想的曲線稱為磁力線，并規(guī)定磁力線從N極出發(fā)，最終進(jìn)入S極。這樣，只要有磁極存在，它就向空間不斷地發(fā)出磁力線，而且離磁極近的地方磁力線密，而遠(yuǎn)處磁力線稀疏（圖1）。鐵粉末的排列形狀就是磁力線的走向。

圖3 磁力線

有了磁力線，我們就可以很方便地描述磁鐵之間的相互作用。但是必須明白，磁力線是我們?yōu)榱死斫夥奖愣傧氲?，?shí)際上并不存在。在磁極周圍的空間中真正存在的不是磁力線，而是一種場(chǎng)，我們稱之為磁場(chǎng)。磁性物質(zhì)的相互吸引等就是通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行的。

我們知道，物質(zhì)之間存在萬(wàn)有引力，它是一種引力場(chǎng)。磁場(chǎng)與之類似，是一種布滿磁極周圍空間的場(chǎng)。磁場(chǎng)的強(qiáng)弱可以用假想的磁力線數(shù)量來(lái)表示，磁力線密的地方磁場(chǎng)強(qiáng)，磁力線疏的地方磁場(chǎng)弱（圖4）。單位截面上穿過(guò)的磁力線數(shù)目稱為磁通量密度，也就是我們要說(shuō)到的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖4 磁通量

運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中會(huì)受到一種稱為洛侖茲(Lorentz)力作用。由同樣帶電粒子在不同磁場(chǎng)中所受到洛侖磁力的大小來(lái)確定磁場(chǎng)強(qiáng)度的高低。圖5是測(cè)量脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的磁通密度的特斯拉磁強(qiáng)計(jì)，簡(jiǎn)稱特斯拉計(jì)。特斯拉是磁通密度的國(guó)際單位制單位。磁通密度是描述磁場(chǎng)的基本物理量，而磁場(chǎng)強(qiáng)度是描述磁場(chǎng)的輔助量。

注：特斯拉(Tesla，N)(1886~1943)是克羅地亞裔美國(guó)電機(jī)工程師，曾發(fā)明變壓器和交流電動(dòng)機(jī)，現(xiàn)在大名鼎鼎的tesla轎車同樣用了他的名字冠名。

圖5 特斯拉計(jì)

接下來(lái)我們的主角粉墨登場(chǎng)了

磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）

磁感應(yīng)強(qiáng)度，英文為magnetic flux density，即磁通量密度。是指試樣受交變磁化時(shí)，特定磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值，磁感應(yīng)強(qiáng)度用符號(hào)B(0.01H)表示，單位為T(特斯拉)。（參見(jiàn)Q/BQB 480-2014）

多年來(lái)，磁性材料磁化一直由磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）和磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）這兩個(gè)參數(shù)表示。然而，近幾年前的公認(rèn)結(jié)論是：與磁感應(yīng)強(qiáng)度相比，為少數(shù)人熟知的名詞----磁極化強(qiáng)度J(J=B-μ0H)能更準(zhǔn)確地描述材料的磁化狀態(tài)。

此外，現(xiàn)在有些專家認(rèn)為，可采用磁化強(qiáng)度M來(lái)更好地描述磁性材料。在磁性材料磁場(chǎng)測(cè)量上有兩個(gè)學(xué)派：一個(gè)是通過(guò)應(yīng)用安培定律（通過(guò)測(cè)量勵(lì)磁電流）間接測(cè)量；另一個(gè)通過(guò)測(cè)量線圈（應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律）直接測(cè)量。在真正選擇測(cè)量磁場(chǎng)的傳感器時(shí)，目前仍在討論是測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度H還是磁感應(yīng)強(qiáng)度B。因此，與建立了明確術(shù)語(yǔ)的電參量測(cè)量相比，磁性測(cè)量有許多基本問(wèn)題仍在討論中。

注1：早期的標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)中，磁性材料由磁感應(yīng)強(qiáng)度B描述，實(shí)際上，用標(biāo)準(zhǔn)愛(ài)潑斯坦方圈法和單片法測(cè)量的是磁極化強(qiáng)度。最近，許多標(biāo)準(zhǔn)推薦采用磁場(chǎng)極化強(qiáng)度J替代磁感應(yīng)強(qiáng)度B。

磁極化強(qiáng)度是個(gè)什么東東？

磁極化強(qiáng)度（J）

英文名是magnetic polarization，物理意義上解釋為單位體積磁性介質(zhì)的磁偶極矩，也稱內(nèi)稟磁感應(yīng)強(qiáng)度。符號(hào)為Bi或J，單位是T（特斯拉）。

磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁極化強(qiáng)度之間是什么關(guān)系呢？

不知各位注意沒(méi)有，Q/BQB480-2014標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語(yǔ)和定義中有一個(gè)注：

“注：給出磁感應(yīng)強(qiáng)度值是多年來(lái)的慣例，實(shí)際上，實(shí)際上，用標(biāo)準(zhǔn)愛(ài)潑斯坦方圈法和單片法測(cè)量的是磁極化強(qiáng)度。按照GB/T 3102.5-1993 定義為：

J=B-μ0H

式中，J是磁極化強(qiáng)度，B 是磁感應(yīng)強(qiáng)度，μ0 是真空磁導(dǎo)率(4×10-7H/m)，H是磁場(chǎng)強(qiáng)度。”

在軟磁材料典型應(yīng)用中，磁場(chǎng)強(qiáng)度的值通常是不大于1000A/m，μ0為4×10-7H/m，所以磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁極化強(qiáng)度J之間區(qū)別極小。

高的磁極化強(qiáng)度（磁感應(yīng)強(qiáng)度），意味著鐵芯的磁化能力強(qiáng)，鐵芯的激磁電流降低，比總損耗和銅損都降低。當(dāng)電機(jī)或變壓器容量不變時(shí)，磁極化強(qiáng)度高可使鐵芯體積縮小和重量減輕，節(jié)省電工材料、導(dǎo)線等的用量，并使鐵芯鐵損和制造成本降低，有利于制造、安裝和運(yùn)輸。

所以，電工鋼材料的選擇，同等鐵損的前提下，選擇磁感應(yīng)（磁極化）強(qiáng)度相對(duì)高的材料更好一些。