磁場能量密度是指單位體積內的磁場能量。磁場建立過程中本身儲存的能量。簡稱磁能。在一個線圈中建立磁場，電流從零增加到穩定值的過程中，電源要反抗自感電動勢做功，與這部分功相聯繫著的能量稱為自感磁能。若在兩個存在互感作用的線圈中分別通入電流時，電源除反抗自感電動勢做功外，還要反抗線圈間的互感電動勢而做功，和反抗互感電動勢做功相聯繫的能量稱為互感磁能。
基本介紹
- 中文名：磁場能量密度
- 外文名：density of energy of magnetic field
- 領域：電磁學
- 定義：單位體積內的磁場能量
- 簡介：磁能密度
- 關鍵要素：磁感應強度
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概念
單位體積內的磁場能量稱為磁場能量密度。定義式：ω=W/V=(BH)/2。其中V是體積，B是磁感應強度，H是磁場強度，H=B/μ。
磁場
存在於載流導體、永久磁體、運動電荷或時變電場等周圍空間的，以磁感應強度表征的一種特殊形式的物質。磁場的物質性，可由它的如下許多特性顯示出來：磁場具有能量;磁場對運動電荷、載流導體有作用力;導線在磁場中運動或處在時變磁場中都將在導線中引起感應電動勢，發電機、變壓器就是根據這一原理製成的;在磁場的作用下，磁致伸縮材料會發生變形，呈現磁致伸縮現象;將載流導體置於磁場中，導體的橫向兩側將出現電位差，即產生霍耳效應;磁場可使載流導體或半導體的電阻發生變化，即產生磁致電阻效應，等等。描述磁場的基本物理量是磁感應強度B和重要的輔助量磁場強度H。
恆定磁場和時變磁場在空間某區域內，若各處的磁感應強度的量值和方向都不隨時間變化，該區域中的磁場稱恆定磁場，否則稱時變磁場。時變磁場總是和時變電場相互關聯，以電磁波的形式存在。研究某一區域中的時變磁場時，若電磁波的波長遠大於區域的線度尺寸，則可忽略位移電流對磁場的作用，這種時變磁場稱似穩磁場。大多數電力設備中的時變磁場可以認為是似穩磁場。
均勻磁場和非均勻磁場任何時刻，若空間某區域內各處的磁感應強度的量值和方向都相同，稱區域中的磁場為均勻磁場，否則稱非均勻磁場。
媒質的磁化位於磁場中的媒質將產生磁化效應。為巨觀描述媒質的磁化狀態及其對外磁場的影響，引入了磁場強度這一概念。磁感應強度和磁場強度的關係，常用磁化曲線表示。電機工程中，在許多場合下，只考慮鐵磁材料的磁化;非鐵磁材料的磁化很弱，一般不予考慮，即認為這種材料的磁導率和真空磁導率相同。
磁場的基本規律磁場具有如下的基本規律。
磁通量的連續性穿過任何閉合面的磁通量等於零(見磁通量)。
磁場強度的環路積分規律磁場強度沿閉合路徑的線積分，等於穿過以該閉合路徑為周界的曲面上的全電流(見磁場強度)。
磁場的能量密度線上性媒質中，單位體積內的磁場能量或磁場能量密度，等於(B·H)/2。
媒質分界面處磁場量滿足的條件在媒質1和媒質2的分界面上有：①媒質1、2的磁感應強度的法向分量B1n、B2n連續，即B1n=B2n;②媒質1、2的磁場強度的切向分量H1t、H2t之差，等於分界面上的面電流密度Js(Js的方向垂直於H1t和H2t)，即H1t-H2t=Js。不存在面電流時，H1t、H2t連續。
磁場能量
磁場建立過程中本身儲存的能量。簡稱磁能。在一個線圈中建立磁場，電流從零增加到穩定值的過程中，電源要反抗自感電動勢做功，與這部分功相聯繫著的能量稱為自感磁能。若在兩個存在互感作用的線圈中分別通入電流時，電源除反抗自感電動勢做功外，還要反抗線圈間的互感電動勢而做功，和反抗互感電動勢做功相聯繫的能量稱為互感磁能。可以證明自感線圈中儲存的磁能為Wm=1/2LI2。式中L是線圈的自感係數，I是其中通過的電流。對於空心長螺線管(近似看作無限長)，其自感係數L=μ0n2V。式中n是單位長度上線圈的匝數，V是螺線管的體積。將上式代入自感線圈的磁能公式得Wm=1/2(μ0n2V)I2。由公式可知自感磁能與螺線管的體積有關。長螺線管中磁場是均勻的，磁場能量應線上圈所圍體積內均勻分布，所以單位體積中的磁能為wm=wm/V=1/2BH(因為B=μ0nI，H=nl)。wm稱為磁場能量密度，簡稱磁能密度。一般寫成wm=1/2B·H。磁能密度的數學表述雖由特例推出，但可以證明它是普遍成立的。對於非均勻磁場每一點的磁能密度仍用上式表示，只是場中各點的值不同而已。在非均勻磁場中，若求磁場的總磁能，可以表述為：Wm=VwmdV=1/2V(B·H)dV。以上所述是在穩恆磁場中的情況，這時磁能總與電流相伴隨，把磁能看成是與電流相聯繫還是儲存在磁場中，兩種觀點效果完全相同。但在變化的電磁場中，磁場可以脫離電流而存在，這種磁場也具有能量，其磁能密度的表達式仍為wm=1/2B·H。在一般情況下，變化電磁場以波的形式傳播，在傳播過程中同時也傳播著能量，所以能量儲存在磁場中的觀點是正確的。
磁感應強度
表征磁場強弱程度和磁場方向的物理量。又稱磁通密度。設磁場中某點有正電荷q，它的速度是v，磁場對它的作用力是F;改變速度v的方向但維持其量值不變，直到力的量值F為最大;定義該點的磁感應強度B的量值為B=F/qv，B的方向為F×v的方向。在國際單位制(SI)中，磁感應強度的單位是特[斯拉] (T);也有用高斯(Gs)作單位的。測量磁感應強度的常見方法，有基於感應電動勢效應的探測線圈法和基於霍耳效應的霍耳片法等。
磁感應線為了形象地描繪磁場，可畫出磁感應(強度)線的分布圖。在這種人為的有方向的磁感應線上，規定任一點的切線方向是該點的磁感應強度的方向。對於定性分析，所畫磁感應線的根數可隨意選定。如果還要求磁感應線能反映磁場強弱，可令垂直於磁場方向的單位截面積內穿過的磁感應線的根數，正比於該處的B值，從而磁感應線密度較大的地方，磁感應強度較大，即磁場較強。磁感應線通常是環繞電流的閉合曲線。圖示為載流螺線管的磁感應線分布圖。
磁場對運動電荷的作用力具有速度v的電荷q位於磁感應強度為B的位置時，電荷受到的力稱為洛倫茲力，按下式計算
此式包含了B的定義。
磁場對載流導線的作用力長度是l的導線中通有電流I，當它置於磁感應強度是B的均勻磁場中時，導線受力F為
當導線的方向與B的方向垂直時，力F的量值最大。此時，B、l和F三者互相垂直，可用左手定則描述為：伸開左手，讓磁感應線垂直進入手心，使合攏的四個手指指向電流的方向，則與四指相垂直的大拇指所指方向，就是載流導線所受磁場力的方向。
