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,磁场的分类方法,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,1. 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：iman；匈牙利：magnetk,磁铁矿（Magnetite，ferroferric oxide）：Fe3O4矿（AB2O4，尖晶石） 赤铁矿（Hemat
2、ite，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) ,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,Lm,Am,Lg,Ag,1. 永久磁铁,1.3. 永久磁铁的使用形式,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,永磁体可以产生的磁
3、场,无叠加情况（单一磁体）,Nd2Fe14B：BS1.62 T AlNiCo： BS2.20 T FeCo： 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）,2. 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）,磁场电流（H I）,2. 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
4、：,运动点电荷：,依据：Maxwell方程，BiotSavart定律,2. 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。,内部任意一点P (x, y)的磁场为：,线圈中心O (0, 0)的磁场为：,2. 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W,内部任意一点P (x, y)的磁场的一般表达式为：,2. 电流磁铁,2.1.2. 螺线管,单层螺线管：,多层螺线
5、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：,BB0/2,2. 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。,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。,世界著名DC强磁场实验室,铜质线圈,铜质线圈 超导磁体,中国科学院合肥等离子体物理研究所,日本大阪大学极限科学研究中心超强磁场分部 http:/www.rcem.osaka-u.ac.jp/research_magn-j.html,Lis
6、t of pulsed field facilities of the world,List of pulsed field facilities of the World,2. 电流磁铁,2.1.4. 超导磁体强磁场,螺（超导）线管、大电流。 B00KI，K为线圈常数。,2. 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）,NbSn线NbTi线（ 9 T）,大均匀区,2. 电流磁铁,2.1.4. 超导磁体强磁场,超导导线的制作,6 Tesla Superconducting Dipole Magnet,1981年8月31日， 美国Argonne国家实验室（Le
7、mont）,It was about 22 feet long, 13.5 feet wide, 16 feet tall and weighed 200 tons.,2. 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 T FeCo合金：2.4 T,2l0,最 大 磁 场,最大磁场,均匀磁场,a,b,3. 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
8、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 ？,磁场的产生,人类可以操控的磁场范围低场,最低磁场： 0 T ？,当 0 时， k 1 B0,屏蔽,可能性,磁性材料球壳的屏蔽效果,相对磁导率 /0,球壳内磁场B/0H (%),可能性,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,H0,H1,可能性,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 ？
9、,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,NHMFL Hybrid Magnet 45 T,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,标准的相关术语,1. 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,质子旋磁比P：质子磁矩P与其角动量LP之比。,能级跃迁,1. 磁场基、
10、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,磁场的测量,电磁测量方法的分类,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,测量方法,磁场的测量,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
11、较,传感器测量法：使用被测量相关的传感器,2. 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,3. 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,B0,U(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。,3. 磁场相对测量,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
12、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,磁场电效应,磁场电流横向效应：Hall 效应,磁场电流纵向效应： Thomson 效应,Hall效应磁场传感器,Hall效应：E. H. Hall，1879年,E. H. Hall, Amer. J. Math., 2 (1879), 287,UHall,关于Hall效应的术语,Hall效应：E. H. Hall，1879年,Hall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,磁场电流纵向效应,B0,一般磁致电阻效
13、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,关于术语的讨论,磁阻、磁电阻、磁致电阻、磁场电流效应,magnetoresistance（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,4. 磁场测量实例,各种磁场测量装置的测量能力注,4. 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
14、场的测量。,磁通门磁强计,变压器理想变压器,变压器,理想变压器,铁芯远离饱和区；磁致伸缩效应可以忽略,磁通门磁强计,实际工作中的变压器,磁通门磁强计,实际工作中的变压器,0(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,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。,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 101
15、2 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、测电,双铁芯探头，初级线圈反向串联，感应线圈同向串联。,4. 磁场测量实例,超导量子干涉器件 SQUID Superconducting 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。,超导量子
16、干涉器件,Josephson效应与Josephson结,Nb/Al2O3/Nb Pb/Al2O3/Pb,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,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通量是量子化的。,超导体的宏观量子化效应,超导量子干涉器件,DC SQUID 与 RF SQUID,DC SQUID双结，直流,RF SQUID 单结，射频,超导量子干涉器件的应用,Scanning SQUID Micros
17、copy (SSM),YBCO,Floppy disk,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,4. 磁场测量实例,电流_磁场常数超导磁体的磁场测量,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。,4. 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Farad
18、ay效应；反射式Kerr效应）和磁致伸缩效应。,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,磁光效应磁（场）强（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）,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）,需要标定磁场相位（光强）系数,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,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 End,
