EM-18 · 静磁场

磁性体与磁化

把磁性体放入磁场，其中的原子磁体排列对齐，净磁场增强。增大相对磁导率 μ_r，亲眼看到磁矩排列、磁场增大 μ_r 倍——与电介质削弱电场相反。

增大 μ_r 观察场增强

把一根磁性体棒置于外磁场中。增大相对磁导率 μ_r。内部原子磁体排列到什么程度？净磁场（金色箭头）会怎样？

相对磁导率 μ_rμ_r = 5.0

拖动旋转。滑块设置相对磁导率 μ_r。

磁性体内的净磁场

B = μ_r B₀ = μH · 净磁场增大 μ_r 倍

M = (μ_r − 1)H · 原子磁体排列对齐

净磁场（相对外部） · ×5.0

中等

什么是磁性体

每个原子都带有源自电子运动与自旋的微小磁矩，即原子大小的磁体。平时这些小磁体朝向各异、互相抵消，故无净磁场。但施加外磁场后，它们便开始沿场方向排列。这不是电流，而是把已有的原子磁体排齐。这种能被磁化的性质就是磁性。

磁化 M，磁矩排列

施加外磁场，无数原子磁体便沿场方向排列。这种排列程度以单位体积的磁矩表示，就是磁化 M。它与 EM-10 的电介质极化 P 极为相似。区别在于：极化是电荷略微错开，而磁化是原有磁体排成一列。当排齐的原子磁体都指向一方，它们的磁场便朝同一方向叠加。

观察B = μ_r B₀

磁性体内净场强 μ_r 倍。

净场增强

这里与电介质决定性地分道扬镳。电介质的束缚电荷产生与外场相反的场，削弱了电场。而排齐的原子磁体则加上一个与外场同向的场，增强磁场。所以净磁场比外面强。增大的倍数就是相对磁导率 μ_r：B = μ_r B₀。顺磁体的 μ_r 略大于 1，铁磁体（铁、镍）可达数百到数千，把磁场放大到惊人。抗磁体的 μ_r 略小于 1，反而微弱地排斥。

选择M = ?

磁化是 (μ_r − 1) 乘 H。

磁导率，H 与 B

为了单独处理磁化，使用磁场强度 H。磁通密度 B 是外加的 H 与材料贡献的磁化 M 之和：B = μ₀(H + M)。在线性磁性体中 M 与 H 成正比，于是 B = μH 很简洁，磁导率 μ = μ_r μ₀。可把 H 看作自由电流产生的部分，B 看作含磁化的实际场。铁磁体是非线性的，一旦磁化便不易复原，表现出磁滞，成为永磁体与记录介质的基础。

填空B = μ₀(H + ?)

磁通密度是外加 H 与磁化 M 之和。

自己来μ = ?

磁导率是相对磁导率乘真空磁导率。

回到第一屏

在第一屏增大 μ_r，内部原子磁体排列得越发清晰，表示净磁场的金色箭头越来越长，因为排齐的磁体沿外场同向叠加了它们的场。增大的倍数正是 μ_r：B = μ_r B₀。与电介质缓和电场恰好相反，磁性体放大磁场。所以给线圈加铁芯会使电感跳升 μ_r 倍(EM-17)。

把磁性体放入磁场，其中的原子磁矩排列对齐(磁化 M)，叠加到外场上。于是净磁场增大 μ_r 倍：B = μ_r B₀ = μH(μ = μ_r μ₀)；精确为 B = μ₀(H + M)。与电介质削弱电场相反，顺磁与铁磁材料增强磁场。铁磁体（铁等）的 μ_r 高达数百至数千，用作线圈与变压器的铁芯。

接下来的路

静磁场的最后一块是能量。线圈与磁性体储存的能量其实存在于磁场本身。下一单元(EM-19 磁能)将其看作磁场能量密度 u = B²/(2μ)。它是静电能 u = ½εE² 的磁版，线圈的 ½LI² 也由此而来。这样静磁场的七块就此收尾，进入时变场与麦克斯韦。