磁场的产生与测量

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1、磁场的产生与测量磁场的分类磁场的产生磁场的测量共65页1磁场的分类方法地 磁 场生物磁场静 磁 场脉冲磁场交流磁场直流磁场电 磁 波时间频率微波磁场电 磁 铁超导磁体螺 线 管装置铁芯线圈材料电 磁 场原子磁矩人造磁场自然磁场 电 流 人造磁铁天然磁铁2磁场的产生1.永久磁铁2.电流磁铁 2.1.无磁芯磁场线圈 2.1.1.Helmholtz线圈 2.1.2.螺线管 2.1.3.脉冲磁场 2.1.4.超导磁体 2.2.有磁芯磁场线圈电磁铁3.其它磁场31.永久磁铁1.1.永久磁铁的种类天然磁石：主要以磁铁矿（Fe3O4）为主 中国：慈石；梵文：ayasknta；法国：Laimant；西班牙：i

2、man；匈牙利：magnetk 磁铁矿（Magnetite，ferroferric oxide）：Fe3O4矿（AB2O4，尖晶石）赤铁矿（Hematite，ferrous oxide）：Fe2O3矿黑铁矿（Wuestite，ferric oxide）：FeO矿人造磁石：钢、永磁（磁铅石）铁氧体、FeCoM合金、Alnico、MnAlC、稀土永磁 SmCo，NdFe(B,C)、NdFeTi、SmFe(C,N)41.永久磁铁1.2.永久磁铁磁场的磁路计算计算依据：高斯定理和安培环路定理计算方法：无漏磁假设 漏磁修正 有限元方法 LmAmLgAg磁路：异常重要51.永久磁铁1.3.永久磁铁的使用形

3、式固定磁场：磁场间隙和磁场强度均固定（参考磁场、磁共振）可调磁场：磁场间隙固定、磁场强度可调（测量）永久磁铁与软铁组合6永磁体可以产生的磁场无叠加情况（单一磁体）Nd2Fe14B：BS1.62 TAlNiCo：BS2.20 TFeCo：BS2.40 T；永磁体对磁场叠加原理（压缩技术）日本住友特殊金属公司：4.4 T（烧结NdFeB）72.电流磁铁电流的磁效应（H.C.Oersted，1820年，丹麦）电流磁铁（D.F.J.Arago，1820年，法国）发电机（M.Faraday，1831年，英国）（H.F.E.Lenz，1834年，德国）电动机（N.Tesla，1881年，克罗地亚美国）磁场

4、电流（H I）82.电流磁铁2.1.无磁芯磁场线圈无限长直导线：圆电流线圈轴线：IrH运动点电荷：q,vrrOrrIxR依据：Maxwell方程，BiotSavart定律92.电流磁铁2.1.1.Helmholtz线圈一对结构相同的薄圆线圈同轴串联、线圈之间的距离等于线圈半径R。单个线圈匝数为N；电流强度为I。oRRxyP(x,y)内部任意一点P(x,y)的磁场为：线圈中心O(0,0)的磁场为：102.电流磁铁2.1.1.Helmholtz线圈实际Helmholtz线圈：圆线圈：螺旋线圈，螺距2p；半径R：平均半径；距离L：偏离半径R；线圈的层数：多层，层数WoLRRxyP(x,y)内部任意一

5、点P(x,y)的磁场的一般表达式为：112.电流磁铁2.1.2.螺线管单层螺线管：多层螺线管：一根导线螺旋绕制。总长度L；总匝数N，电流为I。螺线管轴线上的磁场为：B00KI，K为线圈常数。无限长单层螺线管：单层螺线管中心：xlL/2LRBB0/2122.电流磁铁2.1.3.脉冲磁场强磁场螺线管、大电流。B0KI，K为线圈常数。tHt非破坏性（脉冲、稳恒）、破坏性1960年，美国MIT建立强磁场实验室（HML，F.Bitter），25 T。13世界著名DC强磁场实验室铜质线圈铜质线圈超导磁体14中国科学院合肥等离子体物理研究所15日本大阪大学极限科学研究中心超强磁场分部16List of pu

6、lsed field facilities of the worldLocationPower SupplyLargest FieldPulse LengthBeijingcapacitor 0.34 MJ 50 T in 22 mm5 msKobecapacitor 0.03 MJ30 T in 15 mm15 msLos Alamos(LANL/NHMFL)capacitor 1.5 MJ68 T in 15 mm20 msLos Alamos(LANL/NHMFL)generator 400 MVA60 T in 32 mm2s 100 ms+Cambridge,Mass(FBNML)c

7、apacitor 0.21 MJ65 T in 13 mm10 msMeridacapacitor 0.6 MJ25 T in 30 mm1.4 msMurray Hillcapacitor 0.52 MJ72 T in 10 mm15 msOsakacapacitor 1.5 MJ70 T in 20 mm80 T0.6 ms0.1 msSendai(IMR)capacitor 0.1 MJ40 T in 12 mm10 msSydney(UNSW)capacitor 0.8 MJ60 T in 22 mm25 msTokyo(ISSP)capacitor 0.1 MJ 5 MJ150 T

8、in 10 mm200 T in 6 mm 550 T in 9 mm6 s6 s3 sTsukubacapacitor 1.6 MJ65 T in 16 mm100 msWorcester(Mass.)capacitor 0.35 MJ47 T in 10 mm10 msAmsterdamutility grid:6 MW40 T in 20 mm1500 ms(100 ms)Berlincapacitor 0.4 MJcapacitor 0.2 MJ62 T in 18 mm200 T in 12 mm310 T in 5 mm12 ms5 s3 s17LocationPower Supp

9、lyLargest FieldPulse LengthBraunschweigcapacitor 0.04 MJ27 T in 12 mm12 msBristolcapacitor 0.18 MJ60 T in 10 mm10 msDublincapacitor 0.3 MJ26 T in 28 mm200 msFrankfurtcapacitor 0.8 MJ50 T in 22 mm18 msLeuvencapacitor 1.2 MJ60 T in 20 mm73 T in 10 mm20 ms10 msMoscow(KU)capacitor 0.18 MJ55 T in 5 mm15

10、msMoscowcapacitor 0.03 MJ32 T in 3 mm8 ms(State Uni)Oxfordcapacitor 0.8 MJ50 T in 20 mm15 msOportocapacitor 0.6 MJ25 T in 30 mm1.4 sParmacapacitor 1.0 MJ+60 T in 22 mm10-100 msSt Petersburgcapacitor 0.08 MJ40 T in 20 mm8 ms(Ioffe Inst)St Petersburgcapacitor 0.8 MJ10 T in 250 mm20 ms(Polytechnic)Toul

11、ousecapacitor 1.25 MJcapacitor 12 MJ42 T in 28 mm61 T in 14 mm60 T in 30 mm70 T in 30 mm1 s200 ms1 s400 msWiencapacitor 0.075 MJ43 T in 25 mm2 msWroclawcapacitor 0.07 MJ47 T in 10 mm10 msZaragozacapacitor 1.2 MJ31 T in 30 mm1.6 sList of pulsed field facilities of the World182.电流磁铁2.1.4.超导磁体强磁场螺（超导）线

12、管、大电流。B00KI，K为线圈常数。I 类 超导体II 类 超导体In：3.404 K，293 Oe；Sn：3.722 K，309 Oe；Hg：4.153 K，412 Oe；Ta：4.483 K，830 Oe；V：5.380 K，1420 Oe；La：6.000 K，1100 Oe；Pb：7.193 K，803 Oe；Tc：7.770 K，1410 Oe；Nb：9.460 K，1980 OeNb3Ti：10.0 K，15.0 Tesla；Nb3Sn：18.0K，24.5 TeslaNb3Al：18.7 K，32.4 TeslaNb3Ge：23.2 K，38.0 TeslaNb3(Al,Ge)

13、：20.7 K，44.0 Tesla192.电流磁铁2.1.4.超导磁体强磁场超导磁体的设计NbTi线（9 T）大均匀区202.电流磁铁2.1.4.超导磁体强磁场超导导线的制作216 Tesla Superconducting Dipole Magnet 1981年8月31日，美国Argonne国家实验室（Lemont）It was about 22 feet long,13.5 feet wide,16 feet tall and weighed 200 tons.222.电流磁铁2.2.电磁铁有磁芯磁场线圈带有铁芯（水冷）螺线管。极头材料：纯铁：2.15 TFeCo合金：2.4 T2l0最

14、大磁场最大磁场均匀磁场ab233.其它磁场自然界存在的磁场（生物、天体）人类正常心磁场：1010 T人类正常脑磁场：51012 T外空间（outer space）：1010 T 108 T地球表面：2105 T 5105 T太阳黑子（sunspot）：10 T白矮星（white dwarf）：102 T 103 T中子星（neutron star）：106 T 108 T磁星（magnetar）：108 T 1011 T理论预言最大磁场：1013 T？1016 T？24磁场的产生人类可以操控的磁场范围低场最低磁场：0 T？H0B02R22R1当 0 时，k 1 B0屏蔽可能性25磁性材料球壳的

15、屏蔽效果相对磁导率 /0球壳内磁场B/0H (%)可能性26磁场的产生人类可以操控的磁场范围低场最低磁场：0 T？补偿、抵消磁场的测量H0H1磁场的产生可能性27磁场的产生人类可以操控的磁场范围强场超强磁场：102 T 103 T？复合（Hybrid）强磁场经济性、实用性有阻强磁场的费用 使用磁场2运行时间 维护超导强磁场的费用 维持零阻运行时间 预冷最高磁场资源 101 MW液氦、液氮28NHMFL Hybrid Magnet 45 T 29磁场的测量1.磁场基、标准2.磁场绝对测量 磁场的基、标准3.磁场相对测量 3.1.磁场线圈方法 标准测量线圈 3.2.磁场传感器方法4.磁场测量实例3

16、0标准的相关术语测量标准计量基准、标准measurement standard,etalon国家测量标准国家计量基准national measurement standard国际测量标准国际计量基准international measurement standard基准、原级标准primary standard次级标准secondary standard参考标准reference standard工作标准working standard传递标准transfer standard311.磁场基、标准磁场基、标准的建立原理量子基准：质子旋磁比测量装置核磁共振电流量子标准磁场量子标准质子旋磁比质子旋

17、磁比P：质子磁矩P与其角动量LP之比。能级跃迁共振吸收塞曼分裂321.磁场基、标准磁场基、标准的建立原理强磁场标准弱磁场标准利用天平测量载流矩形线圈（常数x0）在磁场中的受力电流、力、尺寸为独立于B的量使用经过严格计算线圈常数的Helmholtz线圈产生磁场33磁场的测量电磁测量方法的分类基本测量法（绝对测量法）定义测量法量的单位的复现方法测量进行的方法直接测量法直接比较测量法测量时的读数方法测量线路的原理补偿法电桥法谐振法正反向法（正负误差补偿法）对称观测法半周期偶数观测法内插法外推法微差法（插值法）零位法（零值法）替代法完全替代法不完全替代法调换法（对照法）符合法（重合法）测量方法34磁场

18、的测量电磁测量方法的分类基本测量法：测量基本量，属于间接测量定义测量法：按照定义测量，适用于基本单位和导出单位绝对测量法：通过以长度、质量、时间为基本量的测量相对测量法：工作测量直读测量法：直接读出被测量的数值直接比较测量法：将被测量与已知量值的比较传感器测量法：使用被测量相关的传感器352.磁场绝对测量磁场绝对测量：使用磁场基、标准装置核磁共振方法自由进动法测量：频率 P1测量：频率 P2磁共振方法力与力矩方法363.磁场相对测量3.1.磁场线圈方法电磁感应方法发电机方法B0U(t)线圈匝数：N；线圈截面积：A；角速度：当角速度 0时，磁通变化可以通过线圈移动或者转动180实现。373.磁场

19、相对测量3.2.磁场传感器方法磁电效应方法磁光效应方法磁热效应方法Hall磁场传感器：Hall效应；MR磁场传感器：各种MR效应；磁光？磁热？注：广义地，所有磁场测量方法都是通过具有感应磁场能力的装置完成的，因此也都可以称为磁场传感器。以某种方式对磁场敏感的器件WH(t,P,T)，使得线性关系成立38Uz磁场电效应IxUyUxxyzB0磁场电流横向效应：Hall 效应磁场电流纵向效应：Thomson 效应39Hall效应磁场传感器Hall效应：E.H.Hall，1879年E.H.Hall,Amer.J.Math.,2(1879),287xyzIxB0LbdUHall40关于Hall效应的术语H

20、all效应：E.H.Hall，1879年41Hall效应磁场传感器Hall效应磁场传感器件定标：标定K调零：UResistive温度补偿已经达到商品化UEB42磁场电流纵向效应xyzVIB0一般磁致电阻效应 OMR各向异性磁致电阻效应 AMR巨磁致电阻效应 GMR庞磁致电阻效应 CMR磁致隧道电阻效应 TMR？问题：非线性响应 磁场饱和43关于术语的讨论磁阻、磁电阻、磁致电阻、磁场电流效应分类术 语 名 称符号术 语 定 义单位电路电阻resistanceR电压与相应电流的比值电导conductivityS电阻的倒数1/RS磁路磁阻reluctanceRm磁通势与相应磁通的比值H1磁导perm

21、eance磁阻的倒数1/RmHmagnetoresistance（MR）：磁场导致的电阻变化，也称为ThomsonGauss效应（磁场电流纵向效应）MR：磁电阻效应；磁致电阻效应；磁场电流效应 磁阻444.磁场测量实例各种磁场测量装置的测量能力注454.磁场测量实例磁通门磁强计：fluxgate magnetometer利用变压器的电磁感应效应，通过铁芯将环境磁场调制为交流激励电流的偶次谐波感应电动势，实现对环境磁场的测量。46磁通门磁强计变压器理想变压器变压器S匝数：N初级线圈理想变压器铁芯远离饱和区；磁致伸缩效应可以忽略47磁通门磁强计实际工作中的变压器48磁通门磁强计实际工作中的变压器0

22、(t)：由初级线圈感生的电动势，含有奇次谐波分量ext(t)：由环境磁场感生的电动势，含有偶次谐波分量49磁通门磁(场)强(度)计磁通门一般情况，环境磁场随时间缓慢变化，则这种与变压器相伴生的现象，对于环境磁场来说就好像是一道“门”，通过这道“门”，环境磁场被调制成偶次谐波感应电动势。这种现象称为磁通门现象，相应的电动势称为磁通门信号。50磁通门磁强计磁通门磁强计的使用1、理论上，没有灵敏阈极限：1011 T 1012 T；2、技术上，抑制噪声是提高分辨力的关键；3、具有矢量响应特性，多探头系统；4、强场测量范围存在原理性限制，有待提高；5、仪器的带宽：1000 Hz；6、多功能：测场、测角、

23、测电双铁芯探头，初级线圈反向串联，感应线圈同向串联。514.磁场测量实例超导量子干涉器件 SQUIDSuperconducting QUantum Interference Device利用环境磁场对Josephson结中两个超导体的电子波函数位相的调制作用，实现对环境磁场的测量。一般有DC SQUID（双或者多Josephson结）和RF SQUID（单Josephson结）两种类型。52超导量子干涉器件Josephson效应与Josephson结Josephson结超导体/绝缘体/超导体Josephson隧穿Cooper对穿过绝缘体形成电流Josephson电流V0时，穿过结的直流电流DC

24、 Josephson效应V0时，有直流隧穿电流并且存在最大超流电流；最大超流电流随外加磁场呈现周期性振荡调制。AC Josephson效应VV0，有高频振荡电流，频率为qV0/；Josephson干涉器件由超导体连接的（多个）Josephson结所构成的环Nb/Al2O3/NbPb/Al2O3/PbJosephson结SSOjVB53超导量子干涉器件磁通量子0 magnetic flux quantum孤立Josephson结的最大电流_电压_磁场关系54超导量子干涉器件磁通量子化闭合超导回路中的磁通量是量子化的通过超导环的环境磁场本身的磁通量是连续的。而Josephson结超导时所感受到的磁

25、通量是量子化的。超导体的宏观量子化效应55超导量子干涉器件DC SQUID 与 RF SQUIDDC SQUID双结，直流BRF SQUID 单结，射频B56超导量子干涉器件的应用Scanning SQUID Microscopy(SSM)YBCOFloppy diskStrengthMagnetic FieldQuanztiedField57超导量子磁强计SQUID MagnetometerDC SQUIDRF SQUIDMPMS（RF）磁通变换器超导量子干涉器件的应用MPMS：magnetic property measurement system详见第三部分超导量子磁强计584.磁场测量

26、实例电流_磁场常数超导磁体的磁场测量电磁铁超导磁体电流 I磁场 H超导磁体的磁场：r 固定 电磁铁的磁场：r 变化?利用无铁芯线圈中磁场与电流的线性关系，通过已知的比例系数实现磁场的控制与测量。594.磁场测量实例磁光效应磁强计Magneto-optical Magnetometer磁场使得物质的电磁性质发生改变，从而使得光的传输特性也发生变化，利用这种效应实现磁场的测量。一般利用磁光效应（透射式Faraday效应；反射式Kerr效应）和磁致伸缩效应。60磁光效应磁强计磁光效应 magneto-optical effect实际上，利用这些效应都很难制成实用的磁场测量工具61磁光效应磁（场）强（

27、度）计光纤磁场强度计磁致伸缩式：单模光纤的折射率和长度发生变化磁致伸缩材料光纤干涉仪测量k：波数；l：光路长度；n：折射率；S(B)：磁场B引起的纵向应变适用于弱磁场：1016 T（1 km）62磁光效应磁（场）强（度）计光纤磁场强度计受力式：多模光纤的相位或者光强发生变化导电材料光纤干涉仪测量适用于弱磁场：1015 T（理论）电流 I需要标定磁场相位（光强）系数63磁场强度 H磁矩、磁场、磁通及其测量从定义出发理解测量的含义磁通密度（磁感应强度）B表示磁场强弱程度磁 通磁化强度 M单位体积内的磁矩，表示磁化的强弱程度磁场的强度磁矩 m：表示物质磁性强弱64小结：磁场、磁场的产生与测量磁场：磁矩（电流）在空间产生的（力）场的分布The End65