磁场强度和磁感应强度区别

常用的电气设备，如变压器、电动机和电工仪表等，在工作时都要有磁场参与作用，因此必须把磁场聚集在一定的空间范围内，以便加以利用。为此，在电气设备中常用高导磁率的铁磁材料做成一定形状的铁心，使之形成一个磁通的路径，使磁通的绝大部分通过这一路径而闭合，这种磁通的路径称为磁路。图6.1.1所示为变压器、继电器的原理图。

图6.1.1　变压器、继电器原理图

6.1.1　磁路的基本物理量

1.磁感应强度B

磁感应强度B是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。它是一个矢量，它与电流（电流产生磁场）之间的方向关系可用右手螺旋定则来确定，其大小可用来衡量。如果磁场内各点的磁感应强度的大小相等、方向相同，则这样的磁场称为均匀磁场。

在国际单位制中，磁感应强度的单位是特［斯拉］（T），特［斯拉］也就是韦［伯］每平方米（Wb／m2）。以前也常用电磁制单位高斯（Gs）作为磁感应强度的单位。两者的关系是1T相当于104Gs。

2.磁通Φ

磁感应强度B（如果不是均匀磁场，则取B的平均值）与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为通过该面积的磁通Φ，即

由上式可见，磁感应强度在数值上可以看成与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通，故又称为磁通密度。

在国际单位制中，磁通的单位是伏·秒，通常称为韦［伯］（Wb）。以前在工程上有时用电磁制单位麦克斯韦（Mx）作为磁通的单位。两者的关系是1Wb相当于108Mx。

3.磁导率μ

用来表示物质导磁能力大小的物理量称为磁导率。μ0为真空中的磁导率，是一个常数，μ0＝4π×10－7H／m。任一种物质的磁导率μ和真空的磁导率μ0的比值μr，称为该物质的相对磁导率，即。

在国际单位制中，磁导率μ的单位为亨／米（H／m）。

4.磁场强度

由于物质的导磁性能的不同，对磁场的影响也不同，使磁场的计算（尤其是计算不同铁磁材料的磁场）变得比较复杂。为了方便计算磁场，引用一个物理量——磁场强度H，它与磁感应强度B的关系为

在国际单位制中，磁场强度H的单位为安／米（A／m）。

6.1.2　磁性材料的主要性能

按导磁性能不同，物质大体上分为铁磁材料和非铁磁性材料两大类。非铁磁性材料对磁场强弱的影响很小，它们的导磁率与真空的导磁率近似相等，为一常数。只有铁、钴、镍以及这些金属的合金具有很高的导磁率，通常把这一类物质称为铁磁材料。

铁磁材料具有以下特点。

1.磁导率高

铁磁性材料的磁导率很高，μr≫1，可达数百、数千乃至数万之值。这就使它们具有被强烈磁化（呈现磁性）的特性。这是因为铁磁性材料的晶体形成所谓的“磁畴”结构，具有较强的磁化强度。在没有外磁场的作用时，各个磁畴排列混乱，磁场互相抵消，对外就显示不出磁性来，如图6.1.2（a）所示。在外磁场作用下，其中的磁畴就顺外磁场方向转向，显示出磁性来。随着外磁场的增强，磁畴就逐渐转到与外磁场相同的方向上。这样，便产生了一个很强的与外磁场同方向的磁化磁场，从而使磁性物质内的磁感应强度大大增加，如图6.1.2（b）所示。这就是说磁性物质被强烈地磁化了。

图6.1.2　磁性与磁化示意图

2.磁饱和性

磁性材料磁化所产生的磁场不会随外磁场的增强而无限增强，当外磁场增大到一定的值时，全部磁畴的磁场方向都转到与外磁场方向一致，这时磁性材料内的磁感应强度将达到饱和值，这一点充分反映在磁化曲线（B—H曲线）上，如图6.1.3所示b点到d点的范围。

图6.1.3　磁化曲线

图6.1.4　磁滞回线

3.磁滞性

所谓磁滞，就是在外磁场H作正负变化（如线圈中通以交变电流）的反复磁化过程中，磁性材料中磁感应强度B的变化总是落后于外磁场的变化，磁性材料反复磁化后，可得到如图6.1.4所示的磁滞回线。

当外磁场H＝0时，铁磁材料的磁感应强度B并不为零，而为某一特定值Br，把这时的磁感应强度值称为剩磁Br。永久磁铁的磁性由剩磁产生。但有时又需要去掉剩磁，如工作在平面磨床上的工件加工完毕后，由于电磁吸盘有剩磁，能将工件吸附，为此，应加反方向的外磁场，即通过反向去磁电流，去掉剩磁，才能将工件取下，使B＝0。当加反向外磁场Hc时，铁磁材料的Br＝0，把这个反向外磁场Hc的大小称为矫顽磁力Hc，如图6.1.4所示。

磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同，图6.1.5为几种磁性材料的磁化曲线。

图6.1.5　磁性材料的磁化曲线

磁性材料按其磁滞回线的形状不同，可分为三类：①软磁材料，如纯铁、铸铁、硅钢，这类材料的磁滞回线狭窄，剩磁和矫顽磁力均较小，可用来制作电动机、变压器的铁心，也可做计算机的磁心、磁鼓以及录音机的磁带、磁点；②硬磁材料，如碳钢、钨钢、钴钢及铁镍合金等，这类材料的磁滞回线较宽，剩磁和矫顽磁力都较大，适宜作永久磁铁；③矩磁材料，如镁锰铁氧体、某些铁型铁镍合金等，这类材料的磁滞回线接近矩形，在计算机和控制系统中，可用做记忆元件、开关元件和逻辑元件。

6.1.3　磁路基本定律

1.磁路的欧姆定律

图6.1.6　均匀磁路

磁路的欧姆定律是磁路中最基本的定律。图6.1.6所示的磁路称为均匀磁路，即材料相同截面相等的磁路。这种磁路中各点的磁场强度H大小相等，根据磁场的安培环路定理（环路l如图6.1.6所示），有

即

而

令

则

式中：Rm与Φ成反比，反映对磁通的阻碍作用，称为磁阻，单位为H－1。F＝IN是产生Φ的原因，称为磁通势，单位为安［培］（A）。因此，仿电路欧姆定律的含义，可将Φ称为磁流。式（6.1.1）便称为磁路的欧姆定律。

磁路的欧姆定律与电路的欧姆定律相比较，两者形式相似，如表6.1.1所示。Φ／S＝B又称为磁流密度。但有一点需说明的是，电路中的电阻是消耗电能的，而磁阻Rm是不耗能的。

表6.1.1　磁路与电路对照

2.磁路的基尔霍夫定律（非均匀磁路的环路磁压定律）

一般形式的磁路，材料不一定相同、截面不等，有的还具有极小的空气隙，如电动机的磁路、继电器的磁路等，这样的磁路称为非均匀磁路。图6.1.7所示便可看成是一个串联的非均匀磁路，它具有继电器磁路的基本结构特点。

图6.1.7　串联的非均匀磁路

对于这样的磁路，H分段计算，则

可写作

式中：Hili又常称为磁路的磁压降，所以式（6.1.2）便为非均匀磁路的环路磁压定律，类似于电路的基尔霍夫电压定律。

当磁路中含有空气隙时，称为有分支磁路；当磁路中不含有空气隙时，称为无分支磁路。

3.磁路的分析与计算

在计算电动机、电器等的磁路中，一般预先给定铁心的磁通密度（即磁感应强度）B，然后按照所给的磁通及磁路各段的尺寸和材料来求出产生预定磁通所需的磁通势F＝IN。

从形式上看，磁路的欧姆定律可以解决磁路的计算问题，但由于磁导率μr一般并非常数，它随励磁电流的改变而变化，所以不能直接用磁路的欧姆定律去计算。

下面以非均匀磁路（见图6.1.7）的分析与计算为例，介绍求解磁通势的一般步骤。

（1）由于各段磁路的截面不同，而磁通Φ相同，因此各段磁路中的磁感应强度Bi＝Φ／Si不同，由此求得B1、B2及B0，其中计算B0截面S0时，因δ很小，可以也取铁心截面S1。

（2）据各段磁路材料的磁化曲线B＝f（H），查得与上述Bi对应的磁场强度Hi。其中空气隙和其他非铁磁材料的磁场强度H0＝B0／μ0＝B0／4π×10－7（A／m）可以直接计算。

图6.1.8　例6.1.1的图

（3）计算各段磁路的磁压Hili，即H1l1、H2l2、H0δ。

（4）利用式（6.1.2）求出磁通势IN。

【例6.1.1】　有一直流电磁铁如图6.1.8所示，它的铁心上绕有4 000匝线圈，铁心和衔铁的材料是铸钢。由于漏磁，通过衔铁横截面的磁通只有铁心中磁通的90%。如果衔铁正处在图中所示位置时，铁心中磁感应强度为1.6T，试求此时线圈中的电流。

【解】　由磁化曲线查出，与铁心中的磁感应强度B1＝1.6 T相对应的磁场强度为H1＝5×103A／m，则电磁铁铁心中的磁通为

Φ1＝B1S1＝1.6×8×10－4Wb＝12.8×10－4Wb

空气隙中和衔铁中的磁通为

Φ0＝Φ2＝90%Φ1＝0.9×12.8×10－4Wb＝11.52×10－4Wb

如果空气隙的横截面积与衔铁的横截面积相等，则空气隙中的磁感应强度和衔铁中的磁感应强度也相等，即

由图6.1.5可查得衔铁中的磁场强度为

空气隙中的磁场强度为

因此，由式（6.1.2）可列出

解之，可得I＝1.61A。

思考与练习

6.1.1　磁路的基本物理量有哪些？

6.1.2　磁性材料的磁导率为什么不是常数？

6.1.3　磁性材料按其磁滞回线的形状不同，可分为几类？各有什么用途？