磁场的测量-磁学国家重点试验室-中国科学院物理研究所

中国科学院物理研究所 通用实验技术公共课程,磁性测量,赵同云 磁学国家重点实验室,2019年7月16日,第四讲：磁场的测量,声 明,本讲稿中引用的图、表、数据全部取自公开发表的书籍、文献、论文，而且仅为教学使用，任何人不得将其用于商业目的。,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,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 5 by Fausto Fiorillo ELSEVIER 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,1. 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1,s,m,kg,N,J,J s1,W,V,A,MKSA单位制：四个基本量,kgms2,Nm,kgm2s3,kgm2s3A1,kgm2s3A2,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 m,1 m,电流,电流,2107 N,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,磁场标准3,电荷Coulomb定律,2107 N,磁荷Coulomb定律,BiotSavart定律,c0：m/s；1；04107 H/m,有理化：k1=k2=k3=4,2. 电流磁铁,2.1.1. 基础理论：依据,Ampère定律与BiotSavart定律,电流磁铁1,电流的量纲：,1. 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,电荷的量纲：,量纲表示方法： 质量：Mass、长度：Length、时间：Time,电流的量纲：,1. 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：,电流的量纲：,磁荷Coulomb定律,BiotSavart定律,1. 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：,电荷Coulomb定律,Ampère定律,Maxwell,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 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6,1 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：,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。,1. 磁场基、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。,1. 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。,能级跃迁,1. 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,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 T,测量载流矩形线圈在磁场中的受力：,直接采用质子旋磁比：共振吸收,质子：P2.675 222 099(70) 108 s1 T1,纯净水： P 2.675 153 362(73) 108 s1 T1,B0,Bm,f P1=42.576 388 MHzT1,fP1=42.577 482 MHzT1,Br.f.,共振吸收谱,NMR,T2：横向弛豫时间,Bm：低频微分磁场,1. 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 mT,计算法：Helmholtz线圈,直接采用质子旋磁比：（核磁矩）自由进动法,B0,Bpolarization,B0,Bpolarization,Receiverr.f.,Bpolarization B0,自由进动谱,磁矩绕 B0 进动,r.f.信号,B0,Bpolarization,Receiverr.f.,Bpolarization B0,迅速撤掉,1. 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 mT,计算法：Helmholtz线圈,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 MHzT1,e 1.760 859 770(44) 1011 s1 T1,fe=28.024 953 649 GHzT1,磁场的测量,电磁测量方法的分类,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,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,测量：频率 P1,测量：频率 P2,磁共振方法、力与力矩方法：强磁场,3. 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： 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,B0,U(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。,标定,相对测量1,3. 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,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,相对测量2,磁场电（流）效应,磁场电流横向效应：Hall 效应,磁场电流纵向效应： Thomson 效应,磁电效应1,Hall效应磁场传感器,Hall效应：E. H. Hall，1879年,E. H. Hall, Amer. J. Math., 2 (1879), 287,UHall,磁电效应2,Hall系数,载流子浓度 n 的典型值,半导体本征载流子,CODATA 2006： e=1.602 176 487(40)1019 C,d1.0 mm Ix1.0 mA,GaAs本征半导体,1.0 1016 /cm3,载流子浓度、温度、禁带宽度,A=1017 cm3,1.0 eV 2.0 eV 3.0 eV 4.0 eV,Eg,关于Hall效应的术语,Hall效应：E. H. Hall，1879年,磁电效应3,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,E,B,磁电效应4,U,磁场电流纵向效应,B0,一般磁致电阻效应 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,磁电效应5,线圈电阻,OMR、AMR的特性,H,R,R,R,GMR、TMR,灵敏度、标定、测量范围,H,MR(%),CMR,温度稳定性,T,MR(%),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ThomsonGauss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,4. 磁场测量的几个实例,各种磁场测量装置的测量能力注,4. 磁场测量的几个实例,4.1. 磁通门磁强计：fluxgate magnetometer,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。,4.1. 磁通门磁强计,变压器理想变压器,变压器,理想变压器,铁芯远离饱和区；磁致伸缩效应可以忽略,磁通门1,没有数学还真不行！,4.1. 磁通门磁强计,实际工作中的变压器,磁通门2,4.1. 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,磁通门3,变压器次级电动势的表达式,整理,4.1. 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。,磁通门4,4.1. 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：1011 T 1012 T； 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： 1000 Hz； 6、多功能：测场、测角、测电,