磁場的產(chǎn)生與測量

磁場的產(chǎn)生與測量第一頁，課件共65頁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(dǎo)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二頁，課件共65頁磁場的產(chǎn)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(dǎo)磁體

2.2.有磁芯磁場線圈－電磁鐵3.其它磁場第三頁，課件共65頁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)}第四頁，課件共65頁1.永久磁鐵1.2.永久磁鐵磁場的磁路計算計算依據(jù)：高斯定理和安培環(huán)路定理計算方法：無漏磁假設(shè)＋漏磁修正

有限元方法LmAmLgAg磁路：異常重要第五頁，課件共65頁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(diào)磁場：磁場間隙固定、磁場強度可調(diào)（測量）永久磁鐵與軟鐵組合第六頁，課件共65頁永磁體可以產(chǎn)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(shù)）日本住友特殊金屬公司：4.4T（燒結(jié)Nd－Fe－B）第七頁，課件共65頁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）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）第八頁，課件共65頁2.電流磁鐵2.1.無磁芯磁場線圈無限長直導(dǎo)線：圓電流線圈軸線：IrH運動點電荷：q,vr’rOr－r’IxR依據(jù)：Maxwell方程，Biot－Savart定律第九頁，課件共65頁2.電流磁鐵2.1.1.Helmholtz線圈一對結(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。單個線圈匝數(shù)為N；電流強度為I。oRRxyP(x,y)內(nèi)部任意一點P(x,y)的磁場為：線圈中心O(0,0)的磁場為：第十頁，課件共65頁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(shù)：多層，層數(shù)WoLRRxyP(x,y)內(nèi)部任意一點P(x,y)的磁場的一般表達式為：第十一頁，課件共65頁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。總長度L；總匝數(shù)N，電流為I。螺線管軸線上的磁場為：

B0＝0KI，K為線圈常數(shù)。無限長單層螺線管：單層螺線管中心：xl＝L/2LRB＝B0/2第十二頁，課件共65頁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(shù)。tHtSarov，俄羅斯2800T脈沖人造最高磁場，破壞性NHMFL，美國300T?脈沖人造最高脈沖磁場ELMF，歐盟100T脈沖Osaka，日本80T脈沖NHMFL，美國45T穩(wěn)恒人造最高穩(wěn)恒磁場，計劃70TNijmegen,荷蘭33T穩(wěn)恒Tsukuba,日本30T穩(wěn)恒等離子體所，中國20T穩(wěn)恒非破壞性（脈沖、穩(wěn)恒）、破壞性1960年，美國MIT建立強磁場實驗室（HML，F(xiàn).Bitter），25T。第十三頁，課件共65頁LocationDCPowerSupplyLargestFieldResistiveHybridBraunschweig(TU)6MW18.2Tin32mmCambridge,Mass(FBNML)10MW24Tin32mm35.2Tin32mmGrenoble(MPI-CNRS)24MW25Tin50mm31.4Tin50mm合肥等離子體所10MW13Tin32mm20.2Tin32mmKrasnoyarsk,Russia8MW15Tin36mmMoscow(KI)6MW18.3Tin28mm24.6Tin28mmNijmegen(KU)6MW20Tin32mm30.4Tin32mmSendai(IMR)8MW19.5Tin32mm31.1Tin32mmTallahassee(NHMFL)40MW33Tin32mm45Tin32mmTsukuba(NRIM)15MW30Tin32mm34T(40T)+in52mmWroclaw6MW19Tin25mm世界著名DC強磁場實驗室銅質(zhì)線圈銅質(zhì)線圈＋超導(dǎo)磁體第十四頁，課件共65頁中國科學(xué)院合肥等離子體物理研究所第十五頁，課件共65頁日本大阪大學(xué)極限科學(xué)研究中心超強磁場分部

http://www.rcem.osaka-u.ac.jp/research_magn-j.html第十六頁，課件共65頁ListofpulsedfieldfacilitiesoftheworldLocationPowerSupplyLargestFieldPulseLengthBeijingcapacitor0.34MJ50Tin22mm5msKobecapacitor0.03MJ30Tin15mm15msLosAlamos(LANL/NHMFL)capacitor1.5MJ68Tin15mm20msLosAlamos(LANL/NHMFL)generator400MVA60Tin32mm2s[100ms]+Cambridge,Mass(FBNML)capacitor0.21MJ65Tin13mm10msMeridacapacitor0.6MJ25Tin30mm1.4msMurrayHillcapacitor0.52MJ72Tin10mm15msOsakacapacitor1.5MJ70Tin20mm80T0.6ms0.1msSendai(IMR)capacitor0.1MJ40Tin12mm10msSydney(UNSW)capacitor0.8MJ60Tin22mm25msTokyo(ISSP)capacitor0.1MJ5MJ150Tin10mm200Tin6mm550Tin9mm6ms6ms3msTsukubacapacitor1.6MJ65Tin16mm100msWorcester(Mass.)capacitor0.35MJ47Tin10mm10msAmsterdamutilitygrid:6MW40Tin20mm1500ms(100ms)Berlincapacitor0.4MJcapacitor0.2MJ62Tin18mm200Tin12mm310Tin5mm12ms5ms3ms第十七頁，課件共65頁LocationPowerSupplyLargestFieldPulseLengthBraunschweigcapacitor0.04MJ27Tin12mm12msBristolcapacitor0.18MJ60Tin10mm10msDublincapacitor0.3MJ26Tin28mm200msFrankfurtcapacitor0.8MJ50Tin22mm18msLeuvencapacitor1.2MJ60Tin20mm73Tin10mm20ms10msMoscow(KU)capacitor0.18MJ55Tin5mm15msMoscowcapacitor0.03MJ32Tin3mm8ms(StateUni)Oxfordcapacitor0.8MJ50Tin20mm15msOportocapacitor0.6MJ25Tin30mm1.4sParmacapacitor1.0MJ+60Tin22mm10-100msStPetersburgcapacitor0.08MJ40Tin20mm8ms(IoffeInst)StPetersburgcapacitor0.8MJ10Tin250mm20ms(Polytechnic)Toulousecapacitor1.25MJcapacitor12MJ42Tin28mm61Tin14mm60Tin30mm70Tin30mm1s200ms1s400msWiencapacitor0.075MJ43Tin25mm2msWroclawcapacitor0.07MJ47Tin10mm10msZaragozacapacitor1.2MJ31Tin30mm1.6sListofpulsedfieldfacilitiesoftheWorld第十八頁，課件共65頁2.電流磁鐵2.1.4.超導(dǎo)磁體－強磁場螺（超導(dǎo)）線管、大電流。B0＝0KI，K為線圈常數(shù)。I類超導(dǎo)體II類超導(dǎo)體In：3.404K，293Oe；Sn：3.722K，309Oe；Hg：4.153K，412Oe；Ta：4.483K，830Oe；V：5.380K，1420Oe；La：6.000K，1100Oe；Pb：7.193K，803Oe；Tc：7.770K，1410Oe；Nb：9.460K，1980OeNb3Ti：10.0K，15.0Tesla；Nb3Sn：18.0K，24.5TeslaNb3Al：18.7K，32.4TeslaNb3Ge：23.2K，38.0TeslaNb3(Al,Ge)：20.7K，44.0Tesla第十九頁，課件共65頁2.電流磁鐵2.1.4.超導(dǎo)磁體－強磁場超導(dǎo)磁體的設(shè)計NbTi線（<9T）NbSn線＋NbTi線（>9T）大均勻區(qū)第二十頁，課件共65頁2.電流磁鐵2.1.4.超導(dǎo)磁體－強磁場超導(dǎo)導(dǎo)線的制作第二十一頁，課件共65頁6TeslaSuperconductingDipoleMagnet1981年8月31日，美國Argonne國家實驗室（Lemont）Itwasabout22feetlong,13.5feetwide,16feettallandweighed200tons.第二十二頁，課件共65頁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：2.4T2l0最大磁場最大磁場均勻磁場ab第二十三頁，課件共65頁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(yù)言最大磁場：～1013T？1016T？第二十四頁，課件共65頁磁場的產(chǎn)生人類可以操控的磁場范圍－低場最低磁場：0T？H0B02R22R1當(dāng)

>>0時，k1

B0屏蔽可能性第二十五頁，課件共65頁磁性材料球殼的屏蔽效果相對磁導(dǎo)率/0球殼內(nèi)磁場B/0H(%)可能性第二十六頁，課件共65頁磁場的產(chǎn)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(chǎn)生可能性第二十七頁，課件共65頁磁場的產(chǎn)生人類可以操控的磁場范圍－強場超強磁場：102T～103T？復(fù)合（Hybrid）強磁場經(jīng)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(dǎo)強磁場的費用[維持零阻]×運行時間＋預(yù)冷最高磁場資源～101MW液氦、液氮第二十八頁，課件共65頁NHMFL

HybridMagnet45T第二十九頁，課件共65頁磁場的測量1.磁場基、標(biāo)準(zhǔn)2.磁場絕對測量磁場的基、標(biāo)準(zhǔn)3.磁場相對測量

3.1.磁場線圈方法標(biāo)準(zhǔn)測量線圈

3.2.磁場傳感器方法4.磁場測量實例第三十頁，課件共65頁標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)術(shù)語[測量]標(biāo)準(zhǔn)[計量]基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)measurementstandard,etalon國家[測量]標(biāo)準(zhǔn)國家[計量]基準(zhǔn)nationalmeasurementstandard國際[測量]標(biāo)準(zhǔn)國際[計量]基準(zhǔn)internationalmeasurementstandard基準(zhǔn)、原級標(biāo)準(zhǔn)primarystandard次級標(biāo)準(zhǔn)secondarystandard參考標(biāo)準(zhǔn)referencestandard工作標(biāo)準(zhǔn)workingstandard傳遞標(biāo)準(zhǔn)transferstandard第三十一頁，課件共65頁1.磁場基、標(biāo)準(zhǔn)磁場基、標(biāo)準(zhǔn)的建立原理量子基準(zhǔn)：質(zhì)子旋磁比測量裝置核磁共振電流量子標(biāo)準(zhǔn)磁場量子標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子旋磁比質(zhì)子旋磁比P：質(zhì)子磁矩P與其角動量LP之比。能級躍遷共振吸收塞曼分裂第三十二頁，課件共65頁1.磁場基、標(biāo)準(zhǔn)磁場基、標(biāo)準(zhǔn)的建立原理強磁場標(biāo)準(zhǔn)弱磁場標(biāo)準(zhǔn)利用天平測量載流矩形線圈（常數(shù)x0）在磁場中的受力電流、力、尺寸為獨立于B的量使用經(jīng)過嚴(yán)格計算線圈常數(shù)的Helmholtz線圈產(chǎn)生磁場第三十三頁，課件共65頁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(fù)現(xiàn)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(shù)方法測量線路的原理補償法電橋法諧振法正反向法（正負(fù)誤差補償法）對稱觀測法半周期偶數(shù)觀測法內(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（對照法）符合法（重合法）測量方法第三十四頁，課件共65頁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(dǎo)出單位絕對測量法：通過以長度、質(zhì)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(shù)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(guān)的傳感器第三十五頁，課件共65頁2.磁場絕對測量磁場絕對測量：使用磁場基、標(biāo)準(zhǔn)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三十六頁，課件共65頁3.磁場相對測量3.1.磁場線圈方法電磁感應(yīng)方法發(fā)電機方法B0U(t)線圈匝數(shù)：N；線圈截面積：A；角速度：當(dāng)角速度＝0時，磁通變化可以通過線圈移動或者轉(zhuǎn)動180o實現(xiàn)。第三十七頁，課件共65頁3.磁場相對測量3.2.磁場傳感器方法磁－電效應(yīng)方法磁－光效應(yīng)方法磁－熱效應(yīng)方法Hall磁場傳感器：Hall效應(yīng)；MR磁場傳感器：各種MR效應(yīng)；磁－光？磁－熱？注：廣義地，所有磁場測量方法都是通過具有感應(yīng)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(guān)系成立第三十八頁，課件共65頁Uz磁場－電效應(yīng)IxUyUxxyzB0磁場－電流橫向效應(yīng)：Hall效應(yīng)磁場－電流縱向效應(yīng)：Thomson效應(yīng)第三十九頁，課件共65頁Hall效應(yīng)磁場傳感器Hall效應(yīng)：E.H.Hall，1879年E.H.Hall,Amer.J.Math.,2(1879),287xyzIxB0LbdUHall第四十頁，課件共65頁Hall效應(yīng)Halleffect反Hall效應(yīng)inverseHalleffect反常Hall效應(yīng)anomalousHalleffect整數(shù)量子Hall效應(yīng)fractionalquantumHalleffectvonKlitzing常數(shù)：RK＝25812.807(10.210-6)分?jǐn)?shù)量子Hall效應(yīng)integerquantumHalleffect關(guān)于Hall效應(yīng)的術(shù)語Hall效應(yīng)：E.H.Hall，1879年第四十一頁，課件共65頁Hall效應(yīng)磁場傳感器Hall效應(yīng)磁場傳感器件定標(biāo)：標(biāo)定K調(diào)零：UResistive溫度補償已經(jīng)達到商品化U’EB第四十二頁，課件共65頁磁場－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？問題：非線性響應(yīng)磁場飽和第四十三頁，課件共65頁關(guān)于術(shù)語的討論磁阻、磁電阻、磁致電阻、磁場電流效應(yīng)分類術(shù)語名稱符號術(shù)語定義單位電路電阻resistanceR電壓與相應(yīng)電流的比值電導(dǎo)conductivityS電阻的倒數(shù)1/RS磁路磁阻reluctanceRm磁通勢與相應(yīng)磁通的比值H－1磁導(dǎo)permeance磁阻的倒數(shù)1/RmHmagnetoresistance（MR）：磁場導(dǎo)致的電阻變化，也稱為Thomson－Gauss效應(yīng)（磁場電流縱向效應(yīng)）MR：

磁電阻效應(yīng)；磁致電阻效應(yīng)；磁場電流效應(yīng)磁阻第四十四頁，課件共65頁4.磁場測量實例各種磁場測量裝置的測量能力注弱穩(wěn)恒磁場強穩(wěn)恒磁場脈沖磁場永磁磁體梯度磁場核磁共振？線圈Hall片MR磁通門SQUID電流常數(shù)磁光效應(yīng)注：：基準(zhǔn)；：可以；：量程；：響應(yīng)；：不確定；：介紹；：？：第四十五頁，課件共65頁4.磁場測量實例磁通門磁強計：fluxgatemagnetometer利用變壓器的電磁感應(yīng)效應(yīng)，通過鐵芯將環(huán)境磁場調(diào)制為交流激勵電流的偶次諧波感應(yīng)電動勢，實現(xiàn)對環(huán)境磁場的測量。第四十六頁，課件共65頁磁通門磁強計變壓器－理想變壓器變壓器S匝數(shù)：N初級線圈理想變壓器鐵芯遠(yuǎn)離飽和區(qū)；磁致伸縮效應(yīng)可以忽略第四十七頁，課件共65頁磁通門磁強計實際工作中的變壓器第四十八頁，課件共65頁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四十九頁，課件共65頁磁通門磁(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(xiàn)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(diào)制成偶次諧波感應(yīng)電動勢。這種現(xiàn)象稱為磁通門現(xiàn)象，相應(yīng)的電動勢稱為磁通門信號。第五十頁，課件共65頁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(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(lián)，感應(yīng)線圈同向串聯(lián)。第五十一頁，課件共65頁4.磁場測量實例超導(dǎo)量子干涉器件SQUIDSuperconductingQUantumInterferenceDevice利用環(huán)境磁場對Josephson結(jié)中兩個超導(dǎo)體的電子波函數(shù)位相的調(diào)制作用，實現(xiàn)對環(huán)境磁場的測量。一般有DCSQUID（雙或者多Josephson結(jié)）和RFSQUID（單Josephson結(jié)）兩種類型。第五十二頁，課件共65頁超導(dǎo)量子干涉器件Josephson效應(yīng)與Josephson結(jié)Josephson結(jié)超導(dǎo)體/絕緣體/超導(dǎo)體Josephson隧穿Cooper對穿過絕緣體形成電流Josephson電流V＝0時，穿過結(jié)的直流電流DCJosephson效應(yīng)V＝0時，有直流隧穿電流并且存在最大超流電流；最大超流電流隨外加磁場呈現(xiàn)周期性振蕩調(diào)制。ACJosephson效應(yīng)V＝V0，有高頻振蕩電流，頻率為qV0/?；Josephson干涉器件由超導(dǎo)體連接的（多個）Josephson結(jié)所構(gòu)成的環(huán)Nb/Al2O3/NbPb/Al2O3/PbJosephson結(jié)SSOjVB第五十三頁，課件共65頁B＝0B0V＝0Fraunhofer衍射公式V0超導(dǎo)量子干涉器件磁通量子0magneticfluxquantum孤立Josephson結(jié)的最大電流_電壓_磁場關(guān)系第五十四頁，課件共65頁超導(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超導(dǎo)環(huán)的環(huán)境磁場本身的磁通量是連續(xù)的。而Josephson結(jié)超導(dǎo)時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)第五十五頁，課件共65頁超導(dǎo)量子干涉器件DCSQUID與RFSQUIDDCSQUID雙結(jié)，直流BRFSQUID單結(jié)，射頻B第五十六頁，課件共65頁超導(dǎo)量子干涉器件的應(yīng)用ScanningSQUIDMicroscopy(SSM)YBCOFloppydiskStrengthMagneticFieldQuanztiedField第五十七頁，課件共65頁超導(dǎo)量子磁強計SQUIDMagnetometerDCSQUIDRFSQUIDMPMS（RF）磁通變換器超導(dǎo)量子干涉器件的應(yīng)用MPMS：magne