磁場的產生與測量

關于磁場的產生與測量磁場的分類方法地磁場生物磁場靜磁場脈沖磁場交流磁場直流磁場電磁波時間頻率微波磁場電磁鐵超導磁體螺線管裝置鐵芯線圈材料電磁場原子磁矩人造磁場自然磁場

電流人造磁鐵天然磁鐵第2頁,共66頁，2024年2月25日，星期天磁場的產生1.永久磁鐵2.電流磁鐵

2.1.無磁芯磁場線圈

2.1.1.Helmholtz線圈

2.1.2.螺線管

2.1.3.脈沖磁場

2.1.4.超導磁體

2.2.有磁芯磁場線圈－電磁鐵3.其它磁場第3頁,共66頁，2024年2月25日，星期天1.永久磁鐵1.1.永久磁鐵的種類天然磁石：主要以磁鐵礦（Fe3O4

）為主中國：慈石；梵文：ayaskanta；法國：L’aimant；西班牙：iman；匈牙利：magnetk?

磁鐵礦（Magnetite，ferroferricoxide）：Fe3O4礦（AB2O4，尖晶石）赤鐵礦（Hematite，ferrousoxide）：－Fe2O3礦黑鐵礦（Wuestite，ferricoxide）：FeO礦人造磁石：鋼、永磁（磁鉛石）鐵氧體、Fe－Co－M合金、

Alnico、MnAlC、稀土永磁

{Sm－Co，Nd－Fe－(B,C)、

Nd－Fe－Ti、Sm－Fe－(C,N)}第4頁,共66頁，2024年2月25日，星期天1.永久磁鐵1.2.永久磁鐵磁場的磁路計算計算依據：高斯定理和安培環(huán)路定理計算方法：

無漏磁假設＋漏磁修正

有限元方法LmAmLgAg磁路：異常重要第5頁,共66頁，2024年2月25日，星期天1.永久磁鐵1.3.永久磁鐵的使用形式固定磁場：磁場間隙和磁場強度均固定（參考磁場、磁共振）可調磁場：磁場間隙固定、磁場強度可調（測量）永久磁鐵與軟鐵組合第6頁,共66頁，2024年2月25日，星期天永磁體可以產生的磁場無疊加情況（單一磁體）Nd2Fe14B：BS＝1.62TAlNiCo：BS＝2.20TFe－Co：BS＝2.40T；永磁體對磁場疊加原理（壓縮技術）日本住友特殊金屬公司：4.4T（燒結Nd－Fe－B）第7頁,共66頁，2024年2月25日，星期天2.電流磁鐵電流的磁效應（H.C.Oersted，1820年，丹麥）電流磁鐵（D.F.J.Arago，1820年，法國）發(fā)電機（M.Faraday，1831年，英國）（H.F.E.Lenz，1834年，德國）電動機（N.Tesla，1881年，克羅地亞－美國）磁場－電流（H

～I）第8頁,共66頁，2024年2月25日，星期天2.電流磁鐵2.1.無磁芯磁場線圈無限長直導線：圓電流線圈軸線：IrH運動點電荷：q,vr’rOr－r’IxR依據：Maxwell方程，Biot－Savart定律第9頁,共66頁，2024年2月25日，星期天2.電流磁鐵2.1.1.Helmholtz線圈一對結構相同的薄圓線圈同軸串聯、線圈之間的距離等于線圈半徑R。單個線圈匝數為N；電流強度為I。oRRxyP(x,y)內部任意一點P(x,y)的磁場為：線圈中心O(0,0)的磁場為：第10頁,共66頁，2024年2月25日，星期天2.電流磁鐵2.1.1.Helmholtz線圈實際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：

多層，層數WoL

RRxyP(x,y)內部任意一點P(x,y)的磁場的一般表達式為：第11頁,共66頁，2024年2月25日，星期天2.電流磁鐵2.1.2.螺線管單層螺線管：多層螺線管：一根導線螺旋繞制?？傞L度L；總匝數N，電流為I。螺線管軸線上的磁場為：

B0＝

0KI，K為線圈常數。無限長單層螺線管：單層螺線管中心：xl＝L/2LRB＝B0/2第12頁,共66頁，2024年2月25日，星期天2.電流磁鐵2.1.3.脈沖磁場－強磁場螺線管、大電流。B＝

0KI，K為線圈常數。

tHt非破壞性（脈沖、穩(wěn)恒）、破壞性1960年，美國MIT建立強磁場實驗室（HML，F.Bitter），25T。第13頁,共66頁，2024年2月25日，星期天世界著名DC強磁場實驗室銅質線圈銅質線圈＋超導磁體第14頁,共66頁，2024年2月25日，星期天中國科學院合肥等離子體物理研究所第15頁,共66頁，2024年2月25日，星期天日本大阪大學極限科學研究中心超強磁場分部

http://www.rcem.osaka-u.ac.jp/research_magn-j.html第16頁,共66頁，2024年2月25日，星期天Listofpulsedfieldfacilitiesoftheworld第17頁,共66頁，2024年2月25日，星期天ListofpulsedfieldfacilitiesoftheWorld第18頁,共66頁，2024年2月25日，星期天2.電流磁鐵2.1.4.超導磁體－強磁場螺（超導）線管、大電流。B0＝

0KI，K為線圈常數。第19頁,共66頁，2024年2月25日，星期天2.電流磁鐵2.1.4.超導磁體－強磁場超導磁體的設計NbTi線（<9T）NbSn線＋NbTi線（>9T）大均勻區(qū)第20頁,共66頁，2024年2月25日，星期天2.電流磁鐵2.1.4.超導磁體－強磁場超導導線的制作第21頁,共66頁，2024年2月25日，星期天6TeslaSuperconductingDipoleMagnet1981年8月31日，美國Argonne國家實驗室（Lemont）Itwasabout22feetlong,13.5feetwide,16feettallandweighed200tons.第22頁,共66頁，2024年2月25日，星期天2.電流磁鐵2.2.電磁鐵－有磁芯磁場線圈帶有鐵芯（水冷）螺線管。極頭材料：純鐵：2.15TFe－Co合金：2.4T

2l0最大磁場最大磁場均勻磁場ab第23頁,共66頁，2024年2月25日，星期天3.其它磁場自然界存在的磁場（生物、天體）人類正常心磁場：

10－10T人類正常腦磁場：

5×10－12T外空間（outerspace）：10－10T～10－8T地球表面：2×10－5T～5×10－5T太陽黑子（sunspot）：～10T白矮星（whitedwarf）：102T～103T中子星（neutronstar）：106T～108T磁星（magnetar）：108T～1011T理論預言最大磁場：～1013T？1016T？第24頁,共66頁，2024年2月25日，星期天磁場的產生人類可以操控的磁場范圍－低場最低磁場：

0T？H0

B

02R22R1當

>>

0時，k

1

B0屏蔽可能性第25頁,共66頁，2024年2月25日，星期天磁性材料球殼的屏蔽效果相對磁導率

/

0球殼內磁場B/

0H(%)可能性第26頁,共66頁，2024年2月25日，星期天磁場的產生人類可以操控的磁場范圍－低場最低磁場：

0T？補償、抵消磁場的測量H0H1磁場的產生可能性第27頁,共66頁，2024年2月25日，星期天磁場的產生人類可以操控的磁場范圍－強場超強磁場：

102T～103T？復合（Hybrid）強磁場經濟性、實用性有阻強磁場的費用

[使用磁場]2×運行時間＋維護超導強磁場的費用

[維持零阻]×運行時間＋預冷最高磁場資源～101MW液氦、液氮第28頁,共66頁，2024年2月25日，星期天NHMFL

HybridMagnet45T第29頁,共66頁，2024年2月25日，星期天磁場的測量1.磁場基、標準2.磁場絕對測量磁場的基、標準3.磁場相對測量

3.1.磁場線圈方法標準測量線圈

3.2.磁場傳感器方法4.磁場測量實例第30頁,共66頁，2024年2月25日，星期天標準的相關術語第31頁,共66頁，2024年2月25日，星期天1.磁場基、標準磁場基、標準的建立原理量子基準：質子旋磁比測量裝置核磁共振電流量子標準磁場量子標準質子旋磁比質子旋磁比

P：質子磁矩

P與其角動量LP之比。能級躍遷共振吸收塞曼分裂第32頁,共66頁，2024年2月25日，星期天1.磁場基、標準磁場基、標準的建立原理強磁場標準弱磁場標準利用天平測量載流矩形線圈（常數x0）在磁場中的受力電流、力、尺寸為獨立于B的量使用經過嚴格計算線圈常數的Helmholtz線圈產生磁場第33頁,共66頁，2024年2月25日，星期天磁場的測量電磁測量方法的分類基本測量法（絕對測量法）定義測量法量的單位的復現方法測量進行的方法直接測量法直接比較測量法測量時的讀數方法測量線路的原理補償法電橋法諧振法正反向法（正負誤差補償法）對稱觀測法半周期偶數觀測法內插法外推法微差法（插值法）零位法（零值法）替代法完全替代法不完全替代法調換法（對照法）符合法（重合法）測量方法第34頁,共66頁，2024年2月25日，星期天磁場的測量電磁測量方法的分類基本測量法：測量基本量，屬于間接測量定義測量法：按照定義測量，適用于基本單位和導出單位絕對測量法：通過以長度、質量、時間為基本量的測量相對測量法：工作測量直讀測量法：直接讀出被測量的數值直接比較測量法：將被測量與已知量值的比較傳感器測量法：使用被測量相關的傳感器第35頁,共66頁，2024年2月25日，星期天2.磁場絕對測量磁場絕對測量：使用磁場基、標準裝置核磁共振方法自由進動法測量：頻率

P1測量：頻率

P2磁共振方法力與力矩方法第36頁,共66頁，2024年2月25日，星期天3.磁場相對測量3.1.磁場線圈方法電磁感應方法發(fā)電機方法B0U(t)

線圈匝數：N；線圈截面積：A；角速度：

當角速度

＝0時，磁通變化可以通過線圈移動或者轉動180o實現。第37頁,共66頁，2024年2月25日，星期天3.磁場相對測量3.2.磁場傳感器方法磁－電效應方法磁－光效應方法磁－熱效應方法Hall磁場傳感器：Hall效應；MR磁場傳感器：各種MR效應；磁－光？磁－熱？注：廣義地，所有磁場測量方法都是通過具有感應磁場能力的裝置完成的，因此也都可以稱為磁場傳感器。以某種方式對磁場敏感的器件WH(t,P,T)，使得線性關系成立第38頁,共66頁，2024年2月25日，星期天Uz磁場－電效應IxUyUxxyzB0磁場－電流橫向效應：Hall效應磁場－電流縱向效應：Thomson效應第39頁,共66頁，2024年2月25日，星期天Hall效應磁場傳感器Hall效應：E.H.Hall，1879年E.H.Hall,Amer.J.Math.,2(1879),287xyzIxB0LbdUHall第40頁,共66頁，2024年2月25日，星期天關于Hall效應的術語Hall效應：E.H.Hall，1879年第41頁,共66頁，2024年2月25日，星期天Hall效應磁場傳感器Hall效應磁場傳感器件定標：標定K調零：UResistive溫度補償已經達到商品化U’EB第42頁,共66頁，2024年2月25日，星期天磁場－電流縱向效應xyzVIB0一般磁致電阻效應OMR各向異性磁致電阻效應AMR巨磁致電阻效應GMR龐磁致電阻效應CMR磁致隧道電阻效應TMR？問題：非線性響應磁場飽和第43頁,共66頁，2024年2月25日，星期天關于術語的討論磁阻、磁電阻、磁致電阻、磁場電流效應magnetoresistance（MR）：磁場導致的電阻變化，也稱為Thomson－Gauss效應（磁場電流縱向效應）MR：

磁電阻效應；磁致電阻效應；磁場電流效應磁阻第44頁,共66頁，2024年2月25日，星期天4.磁場測量實例各種磁場測量裝置的測量能力注第45頁,共66頁，2024年2月25日，星期天4.磁場測量實例磁通門磁強計：fluxgatemagnetometer利用變壓器的電磁感應效應，通過鐵芯將環(huán)境磁場調制為交流激勵電流的偶次諧波感應電動勢，實現對環(huán)境磁場的測量。第46頁,共66頁，2024年2月25日，星期天磁通門磁強計變壓器－理想變壓器變壓器S

匝數：N初級線圈理想變壓器鐵芯遠離飽和區(qū)；磁致伸縮效應可以忽略第47頁,共66頁，2024年2月25日，星期天磁通門磁強計實際工作中的變壓器第48頁,共66頁，2024年2月25日，星期天磁通門磁強計實際工作中的變壓器

0(t)：由初級線圈感生的電動勢，含有奇次諧波分量

ext(t)：由環(huán)境磁場感生的電動勢，含有偶次諧波分量第49頁,共66頁，2024年2月25日，星期天磁通門磁(場)強(度)計磁通門一般情況，環(huán)境磁場隨時間緩慢變化，則這種與變壓器相伴生的現象，對于環(huán)境磁場來說就好像是一道“門”，通過這道“門”，環(huán)境磁場被調制成偶次諧波感應電動勢。這種現象稱為磁通門現象，相應的電動勢稱為磁通門信號。第50頁,共66頁，2024年2月25日，星期天磁通門磁強計磁通門磁強計的使用1、理論上，沒有靈敏閾極限：10－11T～10－12T；2、技術上，抑制噪聲是提高分辨力的關鍵；3、具有矢量響應特性，多探頭系統(tǒng)；4、強場測量范圍存在原理性限制，有待提高；5、儀器的帶寬：<1000Hz；6、多功能：測場、測角、測電雙鐵芯探頭，初級線圈反向串聯，感應線圈同向串聯。第51頁,共66頁，2024年2月25日，星期天4.磁場測量實例超導量子干涉器件SQUIDSuperconductingQUantumInterferenceDevice利用環(huán)境磁場對Josephson結中兩個超導體的電子波函數位相的調制作用，實現對環(huán)境磁場的測量。一般有DCSQUID（雙或者多Josephson結）和RFSQUID（單Josephson結）兩種類型。第52頁,共66頁，2024年2月25日，星期天超導量子干涉器件Josephson效應與Josephson結Nb/Al2O3/NbPb/Al2O3/PbJosephson結SSOjVB第53頁,共66頁，2024年2月25日，星期天超導量子干涉器件磁通量子

0magneticfluxquantum孤立Josephson結的最大電流_電壓_磁場關系第54頁,共66頁，2024年2月25日，星期天超導量子干涉器件磁通量子化閉合超導回路中的磁通量是量子化的通過超導環(huán)的環(huán)境磁場本身的磁通量是連續(xù)的。而Josephson結超導時所感受到的磁通量是量子化的。超導體的宏觀量子化效應第55頁,共66頁，2024年2月25日，星期天超導量子干涉器件DCSQUID與RFSQUIDDCSQUID雙結，直流BRFSQUID單結，射頻B第56頁,共66頁，2024年2月25日，星期天超導量子干涉器件的應用ScanningSQUIDMicroscopy(SSM)YBCOFloppydiskStrengthMagneticFieldQuanztiedField第57頁,共66頁，2024年2月25日，星期天超導量子干涉器件的應用MPMS：magnetic

property

measurement

system詳見第三部分《超導量子磁強計》第58頁,共66頁，2024年2月25日，星期天4.磁場測量實例電流_磁場常數－超導磁體的磁場測量電磁鐵超導磁體電流I磁場H超導磁體的磁場：r

固定

電