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1、磁性测量之磁场的测量磁学国家重点实验室物理所磁学室公共测试讲座 磁性测量 2011年春赵同云2011年3月（农历 辛卯年 春）磁场的测量1. 磁场的基、标准 2. 磁场的绝对测量 磁场的基、标准 3. 磁场的相对测量 3.1. 磁场线圈方法 标准测量线圈 3.2. 磁场传感器方法 4. 磁场测量的几个实例标准的相关术语transfer standard传递标准working standard工作标准reference standard参考标准secondary standard次级标准primary standard基准、原级标准international measurement standa
2、rd国际测量标准 国际计量基准national measurement standard国家测量标准 国家计量基准measurement standard, etalon测量标准 计量基准、标准参考文献计量测试技术手册第7卷 电磁学计量测试技术手册编辑委员会编著中国计量出版社，1996年12月第1版。Measurement and Characterization of Magnetic Materials, Chapter 5by Fausto FiorilloELSEVIER ACADEMIC PRESS, 2004注意：磁场（强度）的测量 磁场强度（幅值、方向） 空间分辨 时间分辨0,H
3、r tf r tHr1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：基本单位绝对单位制：三个基本量磁场标准1smkgNJJ s1WVAMKSA单位制：四个基本量kgms2Nmkgm2s3kgm2s3A1kgm2s3A2机械功率电功率导 出 顺 序SI单位1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：基本单位电流单位：安培（A）磁场标准2安培是一恒定电流，若 保持在处于真空中相距 1 米的两无限长、而圆 截面可忽略的平行直导 线内，则在此两导线之 间所产生的力在每米长 度上等于2107牛顿。1 m1 m电流电流2107N无限长 截面可忽略1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：基本单位磁场标
4、准3电荷Coulomb定律2107N1212 2 01 1211 qqq kqFrr磁荷Coulomb定律1212 2 02 2211 ppp kpFrrBiotSavart定律322 311si11nsinp Idlp IdldFrrk 2 2 0c 222 003 2 120031222 032 0 1020k kkkkckkkck c0：m/s； 1； 04107H/m有理化：k1=k2=k3=42. 电流磁铁2.1.1. 基础理论：依据JH011 34dIdlr rB Ampre定律与BiotSavart定律电流磁铁1011 223d4IdlrIFdlr I1I2dl1dl2rI1dl
5、1r电流的量纲：1222 0IM L T1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：基本单位磁场标准3电荷Coulomb定律1212 2 01 1211 qqq kqFrr电荷的量纲：232qM L T量纲表示方法： 质量：Mass、长度：Length、时间：Time电流的量纲： 1TqI234IM L T1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：基本单位磁场标准3磁荷的量纲：232pM L T电流的量纲： 211 1221 IMLT 磁荷Coulomb定律1212 2 02 2211 ppp kpFrrBiotSavart定律322 311si11nsinp Idlp IdldFrrk
6、 13 1221 2pMLT1222IM L T1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：基本单位磁场标准3电流的量纲： 1222IM L T222LL TT 234IM L T电荷Coulomb定律Ampre定律222 320222 31012000k kkckk k Maxwell1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：基本单位电流单位：安培（A）磁场标准4固定线圈 可动线圈无限长 截面可忽略1、绝对测量2、核磁共振电流量子标准电流天平电动力计Rayleigh型 Ayrton型可动线圈固定线圈磁1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：导出单位 磁通单位：韦伯（Wb）磁场标准
7、5韦伯是只有一匝的环形线圈中的磁通量，它 在1 秒时间间隔内均匀地降到零时，环路内 所感应产生的电动势为1 伏特：1 V s1 Wb =A = 1 H1 亨利的电感、通以 1 安培电流，电感中的磁通量为 1 韦伯。1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：导出单位 磁通密度、磁感应强度单位：特斯拉（T）磁场标准61 平方米面积内，垂直均匀通过1 韦伯磁通 量的磁通密度等于1 特斯拉：2111 Wb m = 1 N1 mTA在真空、均匀磁场中，通过电流为 1 安培、长度为 1 米的直 导线，所受到的力最大为 1 牛顿时，磁通密度为 1 特斯拉。21 1 T AJm = 1 N m1. 磁场基
8、、标准 1.1. 磁学单位的确定：导出单位 磁矩单位：安培平方米（Am2）磁场标准7置于磁场中的电流回路所受到的转矩 T 等于 回路的磁矩 m 与磁通密度 B 的矢量积：截面积为 1 平方米的电流回路，通过电流为 1 安培时的磁矩。1121 J1 A m =Tm 1 NT mTB1. 磁场基、标准 1.2. 磁场基、标准的建立：原理磁场标准8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。PP P P2 L能级跃迁共振吸收PPB塞曼分裂P2EBhv1. 磁场基、标准 1.2. 磁场基、标准的建立：原理磁场标准9强磁场标准弱磁场标
9、准11 00100dddLLLFIlBI BBlBfIBx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1. 磁场基、标准 1.2. 磁场基、标准的建立：装置磁场标准10强磁场基准：0.5 T 1.0 T010xmgIB测量载流矩形线圈在磁场中的受力：PP10highB直接采用质子旋磁比：共振吸收质子：P2.675 222 099(70) 108s1 T1纯净水：P 2.675 153 362(73) 108s1 T1B0Bmf P1=42.576 388 MHzT1fP1=42.577 482 MHz
10、T1纯净水 （球形）Br.f.共振吸收谱 NMR02T21 TT2：横向弛豫时间00/ or B BBBE B Bm：低频微分磁场2 01NMR SignalBB1. 磁场基、标准 1.2. 磁场基、标准的建立：装置磁场标准11弱磁场基准：0.05 mT 1.0 mT20BIK计算法：Helmholtz线圈PP20PlowlowBK I直接采用质子旋磁比：（核磁矩）自由进动法B0纯净水 （球形）BpolarizationB0BpolarizationReceiverr.f.Bpolarization B0自由进动谱 磁矩绕 B0进动Time (s)NMRP2Tr.f.信号B0Bpolariza
11、tionReceiverr.f.Bpolarization B0迅速撤掉2 1NMR SignalPBB1. 磁场基、标准 1.2. 磁场基、标准的建立：装置磁场标准12弱磁场标准：10 nT 1.0 mT20BIK计算法：Helmholtz线圈PP20PlowlowBK I质子自由进动式磁强计：（质子）自由进动法中国 3(.65)米线圈系统 地磁场补偿系统CODATA 2006：f P1=42.576 388 109 MHzT1425.76388 M42.576388 M42.576388 k42.5763880.042576388f0(Hz)10 T1 T1 mT1 T1 nTBe 1.7
12、60 859 770(44) 1011s1 T1fe=28.024 953 649 GHzT1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） 测量方法取自计量测试技术手册磁场的测量 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
13、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取自计量测试技术手册2. 磁场的绝对测量 使用磁场基、标准装置共振吸收方法自由进动法0100101dddLLLFIlBI BfIBlxBmgB测量：频率P11 P10(high)PIx F2 P20(low)P C I 0112/P20(abs)PPx gkCm P(BIPM)PB 测量：频率P2磁共振方法、力与力矩方法：强磁场21IkI3. 磁场的相对测量直接比较法：磁场线圈方法 传感器方法：与磁场相关的传感器传感器： 经典物理效应
14、：量子物理效应：电磁感应原理 磁电效应 磁光效应 磁力效应（绝对测量） 磁弹性效应（绝对测量）磁共振方法 量子Hall效应 Josephson效应3. 磁场的相对测量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：0( )sintB NAt00d( )coscosB NAUU tdt tt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。标定相对测量13. 磁场的相对测量3.2. 磁场传感器方法电磁感应原理 磁电效应方法 磁光效应方法 磁热效应方法 磁共振方法Hall磁场传感器：Hall效应；MR磁场传感器：各种MR效应；磁光？磁热？磁力？磁共振？磁电( , , )( , , )WH t P TB t P T注：
