磁场的产生与测量

关于磁场的产生与测量第1页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五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第2页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五磁场的产生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.其它磁场第3页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五1.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：ayaskânta；法国：L’aimant；西班牙：iman；匈牙利：magnetkö

磁铁矿（Magnetite，ferroferricoxide）：Fe3O4矿（AB2O4，尖晶石）赤铁矿（Hematite，ferrousoxide）：－Fe2O3矿黑铁矿（Wuestite，ferricoxide）：FeO矿人造磁石：钢、永磁（磁铅石）铁氧体、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页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五1.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：异常重要第5页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五1.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第6页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五永磁体可以产生的磁场无叠加情况（单一磁体）Nd2Fe14B：BS＝1.62TAlNiCo：BS＝2.20TFe－Co：BS＝2.40T；永磁体对磁场叠加原理（压缩技术）日本住友特殊金属公司：4.4T（烧结Nd－Fe－B）第7页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五2.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）第8页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五2.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：IrH运动点电荷：q,vr’rOr－r’IxR依据：Maxwell方程，Biot－Savart定律第9页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五2.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。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：第10页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五2.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WoLRRxyP(x,y)内部任意一点P(x,y)的磁场的一般表达式为：第11页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五2.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：

B0＝0KI，K为线圈常数。无限长单层螺线管：单层螺线管中心：xl＝L/2LRB＝B0/2第12页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五2.电流磁铁2.1.3.脉冲磁场－强磁场螺线管、大电流。B＝0KI，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），25T。第13页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五世界著名DC强磁场实验室铜质线圈铜质线圈＋超导磁体第14页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五中国科学院合肥等离子体物理研究所第15页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五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第16页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五Listofpulsedfieldfacilitiesoftheworld第17页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五ListofpulsedfieldfacilitiesoftheWorld第18页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五2.电流磁铁2.1.4.超导磁体－强磁场螺（超导）线管、大电流。B0＝0KI，K为线圈常数。第19页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五2.电流磁铁2.1.4.超导磁体－强磁场超导磁体的设计NbTi线（<9T）NbSn线＋NbTi线（>9T）大均匀区第20页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五2.电流磁铁2.1.4.超导磁体－强磁场超导导线的制作第21页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五6TeslaSuperconductingDipoleMagnet1981年8月31日，美国Argonne国家实验室（Lemont）Itwasabout22feetlong,13.5feetwide,16feettallandweighed200tons.第22页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五2.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：2.15TFe－Co合金：2.4T2l0最大磁场最大磁场均匀磁场ab第23页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五3.其它磁场自然界存在的磁场（生物、天体）人类正常心磁场：10－10T人类正常脑磁场：5×10－12T外空间（outerspace）：10－10T～10－8T地球表面：2×10－5T～5×10－5T太阳黑子（sunspot）：～10T白矮星（whitedwarf）：102T～103T中子星（neutronstar）：106T～108T磁星（magnetar）：108T～1011T理论预言最大磁场：～1013T？1016T？第24页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五磁场的产生人类可以操控的磁场范围－低场最低磁场：0T？H0B02R22R1当

>>0时，k1

B0屏蔽可能性第25页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五磁性材料球壳的屏蔽效果相对磁导率/0球壳内磁场B/0H(%)可能性第26页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五磁场的产生人类可以操控的磁场范围－低场最低磁场：0T？补偿、抵消磁场的测量H0H1磁场的产生可能性第27页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五磁场的产生人类可以操控的磁场范围－强场超强磁场：102T～103T？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～101MW液氦、液氮第28页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五NHMFL

HybridMagnet45T第29页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五磁场的测量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.磁场测量实例第30页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五标准的相关术语第31页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五1.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。能级跃迁共振吸收塞曼分裂第32页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五1.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线圈产生磁场第33页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五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）测量方法第34页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五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较传感器测量法：使用被测量相关的传感器第35页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五2.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第36页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五3.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180º实现。第37页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五3.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)，使得线性关系成立第38页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五Uz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效应第39页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五Hall效应磁场传感器Hall效应：E.H.Hall，1879年E.H.Hall,Amer.J.Math.,2(1879),287xyzIxB0LbdUHall第40页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五关于Hall效应的术语Hall效应：E.H.Hall，1879年第41页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五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U’EB第42页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五磁场－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第43页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五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Thomson－Gauss效应（磁场电流纵向效应）MR：

磁电阻效应；磁致电阻效应；磁场电流效应磁阻第44页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五4.磁场测量实例各种磁场测量装置的测量能力注第45页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五4.磁场测量实例磁通门磁强计：fluxgatemagnetometer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。第46页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五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第47页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五磁通门磁强计实际工作中的变压器第48页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五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，含有偶次谐波分量第49页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五磁通门磁(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。第50页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五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：10－11T～10－12T；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：<1000Hz；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。第51页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五4.磁场测量实例超导量子干涉器件SQUIDSuperconductingQUantumInterferenceDevice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DCSQUID（双或者多Josephson结）和RFSQUID（单Josephson结）两种类型。第52页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五超导量子干涉器件Josephson效应与Josephson结Nb/Al2O3/NbPb/Al2O3/PbJosephson结SSOjVB第53页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五超导量子干涉器件磁通量子0magneticfluxquantum孤立Josephson结的最大电流_电压_磁场关系第54页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五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第55页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五超导量子干涉器件DCSQUID与RFSQUIDDCSQUID双结，直流BRFSQUID单结，射频B第56页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五超导量子干涉器件的应用ScanningSQUIDMicroscopy(SSM)YBCOFloppydiskStrengthMagneticFieldQuanztiedField第57页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五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》第58页，共66页，2022年，5月20日，14点13分，星期五4.磁场测量实例电流_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