磁場(chǎng)產(chǎn)生和測(cè)量

1、關(guān)于磁場(chǎng)的產(chǎn)生與測(cè)量第一張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁場(chǎng)的分類方法地 磁 場(chǎng)生物磁場(chǎng)靜 磁 場(chǎng)脈沖磁場(chǎng)交流磁場(chǎng)直流磁場(chǎng)電 磁 波時(shí)間頻率微波磁場(chǎng)電 磁 鐵超導(dǎo)磁體螺 線 管裝置鐵芯線圈材料電 磁 場(chǎng)原子磁矩人造磁場(chǎng)自然磁場(chǎng) 電 流 人造磁鐵天然磁鐵第二張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁場(chǎng)的產(chǎn)生1. 永久磁鐵2. 電流磁鐵 2.1. 無(wú)磁芯磁場(chǎng)線圈 2.1.1. Helmholtz線圈 2.1.2. 螺線管 2.1.3. 脈沖磁場(chǎng) 2.1.4. 超導(dǎo)磁體 2.2. 有磁芯磁場(chǎng)線圈電磁鐵3. 其它磁場(chǎng)第三張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1. 永久磁鐵1.1. 永久

2、磁鐵的種類天然磁石：主要以磁鐵礦（ Fe3O4 ）為主 中國(guó)：慈石；梵文：ayasknta；法國(guó)：Laimant； 西班牙：iman；匈牙利：magnetk 磁鐵礦（Magnetite，ferroferric oxide）：Fe3O4礦（AB2O4，尖晶石）赤鐵礦（Hematite，ferrous oxide）：Fe2O3礦黑鐵礦（Wuestite，ferric oxide）：FeO礦人造磁石：鋼、永磁（磁鉛石）鐵氧體、FeCoM合金、 Alnico、MnAlC、稀土永磁 SmCo，NdFe(B, C)、 NdFeTi、SmFe(C, N) 第四張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1.

3、永久磁鐵1.2. 永久磁鐵磁場(chǎng)的磁路計(jì)算計(jì)算依據(jù)：高斯定理和安培環(huán)路定理計(jì)算方法：無(wú)漏磁假設(shè) 漏磁修正 有限元方法 LmAmLgAg磁路：異常重要第五張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1. 永久磁鐵1.3. 永久磁鐵的使用形式固定磁場(chǎng)：磁場(chǎng)間隙和磁場(chǎng)強(qiáng)度均固定（參考磁場(chǎng)、磁共振）可調(diào)磁場(chǎng)：磁場(chǎng)間隙固定、磁場(chǎng)強(qiáng)度可調(diào)（測(cè)量）永久磁鐵與軟鐵組合第六張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月永磁體可以產(chǎn)生的磁場(chǎng)無(wú)疊加情況（單一磁體）Nd2Fe14B：BS1.62 TAlNiCo： BS2.20 TFeCo： BS2.40 T；永磁體對(duì)磁場(chǎng)疊加原理（壓縮技術(shù)）日本住友特殊金屬公司：4.4 T（

4、燒結(jié)NdFeB）第七張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 電流磁鐵電流的磁效應(yīng)（H. C. Oersted，1820年，丹麥）電流磁鐵（D. F. J. Arago，1820年，法國(guó)）發(fā)電機(jī)（M. Faraday，1831年，英國(guó)） （H. F. E. Lenz，1834年，德國(guó)）電動(dòng)機(jī)（N. Tesla，1881年，克羅地亞美國(guó)）磁場(chǎng)電流（H I）第八張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 電流磁鐵2.1. 無(wú)磁芯磁場(chǎng)線圈無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線：圓電流線圈軸線：IrH運(yùn)動(dòng)點(diǎn)電荷：q, vrrOrrIxR依據(jù)：Maxwell方程，BiotSavart定律第九張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于

5、2022年6月2. 電流磁鐵2.1.1. Helmholtz線圈一對(duì)結(jié)構(gòu)相同的薄圓線圈同軸串聯(lián)、線圈之間的距離等于線圈半徑R。單個(gè)線圈匝數(shù)為N；電流強(qiáng)度為I。oRRxyP(x, y)內(nèi)部任意一點(diǎn)P (x, y)的磁場(chǎng)為：線圈中心O (0, 0)的磁場(chǎng)為：第十張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 電流磁鐵2.1.1. Helmholtz線圈實(shí)際Helmholtz線圈：圓線圈： 螺旋線圈，螺距2p；半徑R： 平均半徑；距離L： 偏離半徑R；線圈的層數(shù)： 多層，層數(shù)WoLRRxyP(x, y)內(nèi)部任意一點(diǎn)P (x, y)的磁場(chǎng)的一般表達(dá)式為：第十一張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月

6、2. 電流磁鐵2.1.2. 螺線管單層螺線管：多層螺線管：一根導(dǎo)線螺旋繞制?？傞L(zhǎng)度L；總匝數(shù)N，電流為I。螺線管軸線上的磁場(chǎng)為： B00KI，K為線圈常數(shù)。無(wú)限長(zhǎng)單層螺線管：?jiǎn)螌勇菥€管中心：xlL/2LRBB0/2第十二張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 電流磁鐵2.1.3. 脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)磁場(chǎng)螺線管、大電流。 B0KI，K為線圈常數(shù)。tHt非破壞性（脈沖、穩(wěn)恒）、破壞性1960年，美國(guó)MIT建立強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室（HML，F(xiàn). Bitter），25 T。第十三張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月世界著名DC強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室銅質(zhì)線圈銅質(zhì)線圈超導(dǎo)磁體第十四張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022

7、年6月中國(guó)科學(xué)院合肥等離子體物理研究所第十五張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月日本大阪大學(xué)極限科學(xué)研究中心超強(qiáng)磁場(chǎng)分部http:/www.rcem.osaka-u.ac.jp/research_magn-j.html第十六張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月List of pulsed field facilities of the world第十七張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月List of pulsed field facilities of the World第十八張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 電流磁鐵2.1.4. 超導(dǎo)磁體強(qiáng)磁場(chǎng)螺（超導(dǎo)）線管

8、、大電流。 B00KI，K為線圈常數(shù)。第十九張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 電流磁鐵2.1.4. 超導(dǎo)磁體強(qiáng)磁場(chǎng)超導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì)NbTi線（ 9 T）大均勻區(qū)第二十張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 電流磁鐵2.1.4. 超導(dǎo)磁體強(qiáng)磁場(chǎng)超導(dǎo)導(dǎo)線的制作第二十一張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月6 Tesla Superconducting Dipole Magnet 1981年8月31日， 美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lemont）It was about 22 feet long, 13.5 feet wide, 16 feet tall and weigh

9、ed 200 tons.第二十二張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 電流磁鐵2.2. 電磁鐵有磁芯磁場(chǎng)線圈帶有鐵芯（水冷）螺線管。極頭材料：純鐵：2.15 TFeCo合金：2.4 T2l0最大磁場(chǎng)最大磁場(chǎng)均勻磁場(chǎng)ab第二十三張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3. 其它磁場(chǎng)自然界存在的磁場(chǎng)（生物、天體）人類正常心磁場(chǎng)： 1010 T人類正常腦磁場(chǎng)： 51012 T外空間（outer space）：1010 T 108 T地球表面：2105 T 5105 T太陽(yáng)黑子（sunspot）： 10 T白矮星（white dwarf）：102 T 103 T中子星（neutron st

10、ar）：106 T 108 T磁星（magnetar）：108 T 1011 T理論預(yù)言最大磁場(chǎng)： 1013 T ？ 1016 T ？第二十四張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁場(chǎng)的產(chǎn)生人類可以操控的磁場(chǎng)范圍低場(chǎng)最低磁場(chǎng)： 0 T ？H0B02R22R1當(dāng) 0 時(shí)， k 1 B0屏蔽可能性第二十五張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁性材料球殼的屏蔽效果相對(duì)磁導(dǎo)率 /0球殼內(nèi)磁場(chǎng)B/0H (%)可能性第二十六張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁場(chǎng)的產(chǎn)生人類可以操控的磁場(chǎng)范圍低場(chǎng)最低磁場(chǎng)： 0 T ？補(bǔ)償、抵消磁場(chǎng)的測(cè)量H0H1磁場(chǎng)的產(chǎn)生可能性第二十七張，PPT共六十六頁(yè)，

11、創(chuàng)作于2022年6月磁場(chǎng)的產(chǎn)生人類可以操控的磁場(chǎng)范圍強(qiáng)場(chǎng)超強(qiáng)磁場(chǎng)： 102 T 103 T ？復(fù)合（Hybrid）強(qiáng)磁場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性有阻強(qiáng)磁場(chǎng)的費(fèi)用 使用磁場(chǎng)2運(yùn)行時(shí)間 維護(hù)超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)的費(fèi)用 維持零阻運(yùn)行時(shí)間 預(yù)冷最高磁場(chǎng)資源 101 MW液氦、液氮第二十八張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月NHMFL Hybrid Magnet 45 T 第二十九張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁場(chǎng)的測(cè)量1. 磁場(chǎng)基、標(biāo)準(zhǔn)2. 磁場(chǎng)絕對(duì)測(cè)量 磁場(chǎng)的基、標(biāo)準(zhǔn)3. 磁場(chǎng)相對(duì)測(cè)量 3.1. 磁場(chǎng)線圈方法 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量線圈 3.2. 磁場(chǎng)傳感器方法4. 磁場(chǎng)測(cè)量實(shí)例第三十張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2

12、022年6月標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)術(shù)語(yǔ)第三十一張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1. 磁場(chǎng)基、標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)基、標(biāo)準(zhǔn)的建立原理量子基準(zhǔn)：質(zhì)子旋磁比測(cè)量裝置核磁共振電流量子標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)量子標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子旋磁比質(zhì)子旋磁比P：質(zhì)子磁矩P與其角動(dòng)量LP之比。能級(jí)躍遷共振吸收塞曼分裂第三十二張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1. 磁場(chǎng)基、標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)基、標(biāo)準(zhǔn)的建立原理強(qiáng)磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)弱磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)利用天平測(cè)量載流矩形線圈（常數(shù)x0）在磁場(chǎng)中的受力電流、力、尺寸為獨(dú)立于B的量使用經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算線圈常數(shù)的Helmholtz線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)第三十三張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁場(chǎng)的測(cè)量電磁測(cè)量方法的分類基本測(cè)量法（絕對(duì)測(cè)量法）

13、定義測(cè)量法量的單位的復(fù)現(xiàn)方法測(cè)量進(jìn)行的方法直接測(cè)量法直接比較測(cè)量法測(cè)量時(shí)的讀數(shù)方法測(cè)量線路的原理補(bǔ)償法電橋法諧振法正反向法（正負(fù)誤差補(bǔ)償法）對(duì)稱觀測(cè)法半周期偶數(shù)觀測(cè)法內(nèi)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調(diào)換法（對(duì)照法）符合法（重合法）測(cè)量方法第三十四張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁場(chǎng)的測(cè)量電磁測(cè)量方法的分類基本測(cè)量法：測(cè)量基本量，屬于間接測(cè)量定義測(cè)量法：按照定義測(cè)量，適用于基本單位和導(dǎo)出單位絕對(duì)測(cè)量法：通過(guò)以長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間為基本量的測(cè)量相對(duì)測(cè)量法：工作測(cè)量直讀測(cè)量法：直接讀出被測(cè)量的數(shù)值直接比較測(cè)量法：將被測(cè)量與已知量值的比較傳感器測(cè)量法：使用

14、被測(cè)量相關(guān)的傳感器第三十五張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 磁場(chǎng)絕對(duì)測(cè)量磁場(chǎng)絕對(duì)測(cè)量：使用磁場(chǎng)基、標(biāo)準(zhǔn)裝置核磁共振方法自由進(jìn)動(dòng)法測(cè)量：頻率 P1測(cè)量：頻率 P2磁共振方法力與力矩方法第三十六張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3. 磁場(chǎng)相對(duì)測(cè)量3.1. 磁場(chǎng)線圈方法電磁感應(yīng)方法發(fā)電機(jī)方法B0U(t)線圈匝數(shù)：N；線圈截面積：A；角速度： 當(dāng)角速度 0時(shí)，磁通變化可以通過(guò)線圈移動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)180實(shí)現(xiàn)。第三十七張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3. 磁場(chǎng)相對(duì)測(cè)量3.2. 磁場(chǎng)傳感器方法磁電效應(yīng)方法磁光效應(yīng)方法磁熱效應(yīng)方法Hall磁場(chǎng)傳感器：Hall效應(yīng)；MR磁場(chǎng)傳感器：各

15、種MR效應(yīng)；磁光？磁熱？注：廣義地，所有磁場(chǎng)測(cè)量方法都是通過(guò)具有感應(yīng)磁場(chǎng)能力的裝置完成的，因此也都可以稱為磁場(chǎng)傳感器。以某種方式對(duì)磁場(chǎng)敏感的器件WH(t, P, T)，使得線性關(guān)系成立第三十八張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Uz磁場(chǎng)電效應(yīng)IxUyUxxyzB0磁場(chǎng)電流橫向效應(yīng)：Hall 效應(yīng)磁場(chǎng)電流縱向效應(yīng)： Thomson 效應(yīng)第三十九張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Hall效應(yīng)磁場(chǎng)傳感器Hall效應(yīng)：E. H. Hall，1879年E. H. Hall, Amer. J. Math., 2 (1879), 287xyzIxB0LbdUHall第四十張，PPT共六十六頁(yè)，

16、創(chuàng)作于2022年6月關(guān)于Hall效應(yīng)的術(shù)語(yǔ)Hall效應(yīng)：E. H. Hall，1879年第四十一張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Hall效應(yīng)磁場(chǎng)傳感器Hall效應(yīng)磁場(chǎng)傳感器件定標(biāo)：標(biāo)定K調(diào)零：UResistive溫度補(bǔ)償已經(jīng)達(dá)到商品化UEB第四十二張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁場(chǎng)電流縱向效應(yīng)xyzVIB0一般磁致電阻效應(yīng) OMR各向異性磁致電阻效應(yīng) AMR巨磁致電阻效應(yīng) GMR龐磁致電阻效應(yīng) CMR磁致隧道電阻效應(yīng) TMR？問(wèn)題： 非線性響應(yīng) 磁場(chǎng)飽和第四十三張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月關(guān)于術(shù)語(yǔ)的討論磁阻、磁電阻、磁致電阻、磁場(chǎng)電流效應(yīng)magnetores

17、istance（MR）：磁場(chǎng)導(dǎo)致的電阻變化，也稱為ThomsonGauss效應(yīng)（磁場(chǎng)電流縱向效應(yīng)）MR ： 磁電阻效應(yīng)；磁致電阻效應(yīng)；磁場(chǎng)電流效應(yīng) 磁阻第四十四張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4. 磁場(chǎng)測(cè)量實(shí)例各種磁場(chǎng)測(cè)量裝置的測(cè)量能力注第四十五張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4. 磁場(chǎng)測(cè)量實(shí)例磁通門磁強(qiáng)計(jì)：fluxgate magnetometer利用變壓器的電磁感應(yīng)效應(yīng)，通過(guò)鐵芯將環(huán)境磁場(chǎng)調(diào)制為交流激勵(lì)電流的偶次諧波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)的測(cè)量。第四十六張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁通門磁強(qiáng)計(jì)變壓器理想變壓器變壓器S匝數(shù)：N初級(jí)線圈理想變壓器鐵芯遠(yuǎn)離飽

18、和區(qū)；磁致伸縮效應(yīng)可以忽略第四十七張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁通門磁強(qiáng)計(jì)實(shí)際工作中的變壓器第四十八張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁通門磁強(qiáng)計(jì)實(shí)際工作中的變壓器0(t)：由初級(jí)線圈感生的電動(dòng)勢(shì)，含有奇次諧波分量ext(t)：由環(huán)境磁場(chǎng)感生的電動(dòng)勢(shì)，含有偶次諧波分量第四十九張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁通門磁(場(chǎng))強(qiáng)(度)計(jì)磁通門一般情況，環(huán)境磁場(chǎng)隨時(shí)間緩慢變化，則這種與變壓器相伴生的現(xiàn)象，對(duì)于環(huán)境磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)就好像是一道“門”，通過(guò)這道“門”，環(huán)境磁場(chǎng)被調(diào)制成偶次諧波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象稱為磁通門現(xiàn)象，相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)稱為磁通門信號(hào)。第五十張，PPT共六十六頁(yè)，

19、創(chuàng)作于2022年6月磁通門磁強(qiáng)計(jì)磁通門磁強(qiáng)計(jì)的使用1、理論上，沒(méi)有靈敏閾極限：1011 T 1012 T；2、技術(shù)上，抑制噪聲是提高分辨力的關(guān)鍵；3、具有矢量響應(yīng)特性，多探頭系統(tǒng)；4、強(qiáng)場(chǎng)測(cè)量范圍存在原理性限制，有待提高；5、儀器的帶寬： 1000 Hz；6、多功能：測(cè)場(chǎng)、測(cè)角、測(cè)電雙鐵芯探頭，初級(jí)線圈反向串聯(lián)，感應(yīng)線圈同向串聯(lián)。第五十一張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4. 磁場(chǎng)測(cè)量實(shí)例超導(dǎo)量子干涉器件 SQUIDSuperconducting QUantum Interference Device利用環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)Josephson結(jié)中兩個(gè)超導(dǎo)體的電子波函數(shù)位相的調(diào)制作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境磁

20、場(chǎng)的測(cè)量。一般有DC SQUID（雙或者多Josephson結(jié)）和RF SQUID（單Josephson結(jié)）兩種類型。第五十二張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)量子干涉器件Josephson效應(yīng)與Josephson結(jié)Nb/Al2O3/NbPb/Al2O3/PbJosephson結(jié)SSOjVB第五十三張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)量子干涉器件磁通量子0 magnetic flux quantum孤立Josephson結(jié)的最大電流_電壓_磁場(chǎng)關(guān)系第五十四張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)量子干涉器件磁通量子化閉合超導(dǎo)回路中的磁通量是量子化的通過(guò)超導(dǎo)環(huán)的環(huán)境磁

21、場(chǎng)本身的磁通量是連續(xù)的。而Josephson結(jié)超導(dǎo)時(shí)所感受到的磁通量是量子化的。超導(dǎo)體的宏觀量子化效應(yīng)第五十五張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)量子干涉器件DC SQUID 與 RF SQUIDDC SQUID雙結(jié)，直流BRF SQUID 單結(jié)，射頻B第五十六張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)量子干涉器件的應(yīng)用Scanning SQUID Microscopy (SSM)YBCOFloppy diskStrengthMagnetic FieldQuanztiedField第五十七張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)量子干涉器件的應(yīng)用MPMS：magnetic property measurement system詳見(jiàn)第三部分超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)第五十八張，PPT共六十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4. 磁場(chǎng)測(cè)量實(shí)例電流_磁場(chǎng)常數(shù)超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)測(cè)量電磁鐵超導(dǎo)磁體電流 I磁場(chǎng) H超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)：r 固定 電磁鐵的磁場(chǎng)：r 變化 ?利用無(wú)鐵芯線圈中磁場(chǎng)與電流的線性關(guān)系，通過(guò)已知的比例系數(shù)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的控制與測(cè)量。第五十九