0 序言
磁场强度这个术语,我们搞磁粉检测的,所以重视它,因为它不但可以通过改变磁化电流加以控制,而且它又是评价原磁场(外加磁场)的一项重要指标,也就是磁化规范的重要参数。JB/T4730.4对它提出了明确要求。
现代物理学和国标(资料〔1〕)对它的表述却是不同的。
现代物理学关于磁力的新定义,同时也引发了对“磁场强度”的新理解。例如,现代物理学通常有下面一个公式:
H=(B/μo)-M (1)
并且称式中H为磁场强度。网上,对磁场强度这一术语有如下定义:
在给定点上的磁感应强度B和磁常数之商,与磁化强度M之差。在真空中,为磁感应强度B和磁常数之商。矢量,符号“H”。
这和公式(1)如出一辙。
我认为:以上公式和叙述,虽然准确,但非物理专业人员未必能理解它们,不见得真的知道了“什么是磁场强度”。我同意国标(资料〔1〕)对这一术语的定义,并有些展开想法,因此写了这个题目。由于本人电磁学水平低,自以为是者,反倒可能为非,希望此文能得到感兴味朋友的指教。
1 国标对磁场强度H的定义
资料〔1〕的定义如下:
单位正磁极所受的力,或在某一点测得的磁场强度,用安培每米表示。
2 我的释义
2.1 关于“单位正磁极所受的力”
我对这一定义的理解如下:
磁场强度H是:磁场(电流建立的原磁场或磁极磁场,即以空气为介质的磁场),对进入其中的单位正磁极的作用力。
我认为磁场强度的定义,有“单位正磁极所受的力”,这句话就够了。后面的“或在某一点测得的……”可有可无。应该说,国标的这个定义不如序言中公式(1)那么准确,因为单位正磁极也会产生磁化磁场(附加磁场)的,也就不是单纯的原磁场了;只不过磁极单位越小,误差(与测得值比)越小而已。为什么国标还使用这个不太准确的定义呢?这就是工程应用与物理学的区别,我以为是易懂、便于应用。
2.2 关于“在某一点测得的磁场强度”
1)定义中后半部分的意思是,磁场强度是“在某一点测得的磁场强度”,让人感到很别扭;然而,对不知安培每米这个单位与力关系的人而言,这样表示也无可厚非。
2)请读者注意“测得的”三字
各种常用磁化方法的磁场强度计算公式,教材上均有,本文不赘述。但笔者认为:教材上的计算公式,常常是定性的、便于理解的,仅表示主回路、主方向上的大略值,是不准确的。获取准确的、各方向上磁场强度的可靠方法,只能是用磁强计测得。
因为实际的情况,要复杂得多。现以磁轭法为例进行说明:假定工件中无缺陷,当测量点定在两极中心线的中点、离工件表面1mm处。测量方向为:(a)测切线磁场强度,以Hx表示;(b)测法线磁场强度,以Hz表示。
假如在该点测得的Hx为4千安/米;则该点的Hz也可能为1.5千安/米,而且测量点越接近磁极,Hz也越大。用计算方法可能求出Hx的大体数值,而计算Hz,恐怕就困难了。这就是说:计算是简单的,实况是复杂的。然而,标准为了执行方便,又对磁化规范做了一些简单规定(比如测磁轭提升力、采用标准灵敏度试片等),因此操作者也未必一定要进行磁场强度测量了。这就是说:学术讨论是复杂的、自由的,执行标准是简单的、严格的。
至于磁轭法检测,工件无缺陷处表面磁场强度,为何既有Hx,还有Hz?我的答复是:Hx是磁极漏磁场,Hz是工件表面(侧界面)的折射磁场,见资料〔2〕第40页图2-52。至于图2-52中磁感应线为何不与工件表面平行了,将另写短文讨论。
下面重点介绍磁场强度的单位和力的关系,以便加深对这一术语的认识。
2.3 磁场强度的单位和力的关系
既然磁场强度H应该定义为,磁场(电流建立的原磁场或磁极磁场),对进入其中的单位磁极的作用力;那么,它的组成单位,怎么不见有力的单位N(牛顿)呢?为什么是安培/米或奥斯特(安培/厘米)呢?下面我们就来回答这个问题。
2.3.1 奥斯特(Oe)
1)定义:电流建立的、在空气中对1绝对单位的磁极,有 1达因磁作用力的磁场强度。
2)释义:这个单位,是高斯制单位,它的的组成是安培/厘米,实际上是当细长直导线上通过5安培电流时,在空气中与导线垂直距离1cm处的磁场强度,对1绝对单位的磁极,有 1达因的磁作用力。从力的角度上说:
1奥斯特=1达因/绝对单位磁极
2.3.2 安培/米(A/m)
1)定义:电流建立的、在空气中对1韦伯的磁极,有 1牛顿磁作用力的磁场强度。
2)释义:这个单位,是SI制单位,它的组成是安培/米,它表示与电流相垂直的空气圆周磁路,周长为1米时,包围着1安培电流。这个圆周磁路,每点切线方向上磁场强度,对1韦伯的磁极,有 1牛顿磁作用力。奥斯特单位大,安/米单位小,1 Oe≈80 A/m。从力的角度上说:
1安培/米=1牛顿/韦伯
参考文献:
资料〔1〕:GB/T12604.5-2008《无损检测 术语 磁粉检测》〔S〕
资料〔2〕:宋志哲主编.磁粉检测〔M〕.北京:中国劳动社会保障出版社,2007.
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