磁场能量

与电场能量相比，磁场能量和电场能量有许多相同的特点：

(1) 磁场能量和电场能量在电路中的转化都是可逆的。例如，随着电流的增大，线圈的磁场增强，储入的磁场能量增多；随着电流的减小，磁场减弱，磁场能量通过电磁感应的作用，又转化为电能。因此，线圈和电容器一样是储能元件，而不是电阻类的耗能元件。

(2) 磁场能量的计算公式，在形式上与电场能量的计算公式相同。

电感线圈也是一个储能元件，线圈中储存的磁场能量为

磁场建立过程中本身储存的能量。简称磁能。在一个线圈中建立磁场，电流从零增加到稳定值的过程中，电源要反抗自感电动势做功，与这部分功相联系着的能量称为自感磁能。若在两个存在互感作用的线圈中分别通入电流时，电源除反抗自感电动势做功外，还要反抗线圈间的互感电动势而做功，和反抗互感电动势做功相联系的能量称为互感磁能。可以证明自感线圈中储存的磁能为Wm=1/2LI2。式中L是线圈的自感系数，I是其中通过的电流。对于空心长螺线管(近似看作无限长)，其自感系数L=μ₀n2V。式中n是单位长度上线圈的匝数，V是螺线管的体积。将上式代入自感线圈的磁能公式得Wm=1/2(μ₀n2V)I2。由公式可知自感磁能与螺线管的体积有关。长螺线管中磁场是均匀的，磁场能量应在线圈所围体积内均匀分布，所以单位体积中的磁能为wm=wm/V=₁/2BH(因为B=μ0nI，H=n_l)。wm称为磁场能量密度，简称磁能密度。一般写成wm=1/2B·H。磁能密度的数学表述虽由特例推出，但可以证明它是普遍成立的。对于非均匀磁场每一点的磁能密度仍用上式表示，只是场中各点的值不同而已。在非均匀磁场中，若求磁场的总磁能，可以表述为：Wm=VwmdV=1/2V(B·H)_dV。以上所述是在稳恒磁场中的情况，这时磁能总与电流相伴随，把磁能看成是与电流相联系还是储存在磁场中，两种观点效果完全相同。但在变化的电磁场中，磁场可以脱离电流而存在，这种磁场也具有能量，其磁能密度的表达式仍为wm=1/2B·H。在一般情况下，变化电磁场以波的形式传播，在传播过程中同时也传播着能量，所以能量储存在磁场中的观点是正确的。

单位体积内的磁场能量称为磁场能量密度。定义式：ω=W/V=(BH)/2。其中V是体积，B是磁感应强度，H是磁场强度，H=B/μ。

存在于载流导体、永久磁体、运动电荷或时变电场等周围空间的，以磁感应强度表征的一种特殊形式的物质。磁场的物质性，可由它的如下许多特性显示出来：磁场具有能量;磁场对运动电荷、载流导体有作用力;导线在磁场中运动或处在时变磁场中都将在导线中引起感应电动势，发电机、变压器就是根据这一原理制成的;在磁场的作用下，磁致伸缩材料会发生变形，呈现磁致伸缩现象;将载流导体置于磁场中，导体的横向两侧将出现电位差，即产生霍耳效应;磁场可使载流导体或半导体的电阻发生变化，即产生磁致电阻效应，等等。描述磁场的基本物理量是磁感应强度B和重要的辅助量磁场强度H。

恒定磁场和时变磁场在空间某区域内，若各处的磁感应强度的量值和方向都不随时间变化，该区域中的磁场称恒定磁场，否则称时变磁场。时变磁场总是和时变电场相互关联，以电磁波的形式存在。研究某一区域中的时变磁场时，若电磁波的波长远大于区域的线度尺寸，则可忽略位移电流对磁场的作用，这种时变磁场称似稳磁场。大多数电力设备中的时变磁场可以认为是似稳磁场。

均匀磁场和非均匀磁场任何时刻，若空间某区域内各处的磁感应强度的量值和方向都相同，称区域中的磁场为均匀磁场，否则称非均匀磁场。

媒质的磁化位于磁场中的媒质将产生磁化效应。为宏观描述媒质的磁化状态及其对外磁场的影响，引入了磁场强度这一概念。磁感应强度和磁场强度的关系，常用磁化曲线表示。电机工程中，在许多场合下，只考虑铁磁材料的磁化;非铁磁材料的磁化很弱，一般不予考虑，即认为这种材料的磁导率和真空磁导率相同。

磁场的基本规律磁场具有如下的基本规律。

磁通量的连续性穿过任何闭合面的磁通量等于零(见磁通量)。

磁场强度的环路积分规律磁场强度沿闭合路径的线积分，等于穿过以该闭合路径为周界的曲面上的全电流(见磁场强度)。

磁场的能量密度在线性媒质中，单位体积内的磁场能量或磁场能量密度，等于(B·H)/2。

媒质分界面处磁场量满足的条件在媒质1和媒质2的分界面上有：①媒质1、2的磁感应强度的法向分量B_1n、B_2n连续，即B_1n=B_2n;②媒质1、2的磁场强度的切向分量H_1t、H_2t之差，等于分界面上的面电流密度Js(Js的方向垂直于H_1t和H_2t)，即H_1t-H_2t=Js。不存在面电流时，H_1t、H_2t连续。