作為導(dǎo)出單位的磁學(xué)單位通常由磁學(xué)量的定義方程式來確定。主要涉及的磁學(xué)概念有磁矩(包括由其生出的磁化強(qiáng)度、磁極化強(qiáng)度、比磁*度、比磁極化強(qiáng)度等)、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度(包括磁導(dǎo)率、磁化率等)和磁通等。
磁學(xué)單位量值的確定是靠有關(guān)量的基準(zhǔn)裝置實(shí)現(xiàn)的,而復(fù)現(xiàn)磁學(xué)單位的實(shí)物稱為磁學(xué)量具。常用磁學(xué)量具有磁矩量具、磁通量具和標(biāo)準(zhǔn)測量線圈。
一、磁矩量具
磁矩量具分為兩大類型:永磁體和載流線圈。
(一)永磁體
永磁體一般以鈷鋼為材料,通常做成旋轉(zhuǎn)橢球或圓柱形,其磁矩量值范圍為0.1~100Am2,不確定度為0.1%~0.2%。
采用永磁體作磁矩量具時(shí),體積小、不需要電源、使用方便;但是磁矩值不連續(xù),而且磁矩值隨時(shí)間緩慢變化,受環(huán)境條件(溫度、外磁場及機(jī)械振動(dòng))影響較大。
(二)載流線圈
任意電流回路的磁矩為線圈內(nèi)的電流與線圈總面積的乘積。即:
m = I KSW
式中:KSW——線圈的面積常數(shù),也稱為線圈的磁矩常數(shù)。
KSW可根據(jù)線圈尺寸計(jì)算得到,也可由實(shí)驗(yàn)方法確定。對(duì)于圓柱形線圈:
KSW = SW
式中:S——繞組的平均截面積;
W——繞組匝數(shù)。
采用載流線圈作磁矩量具,要求在線圈外部產(chǎn)生的磁場足夠均勻。由繞組尺寸計(jì)算線圈磁矩常數(shù)的不確定度優(yōu)于1×10-4。
二、 磁場(磁感應(yīng)強(qiáng)度)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)
(一)磁場基準(zhǔn)
我國的磁場基準(zhǔn)裝置實(shí)際上就是用于絕對(duì)測量電流的強(qiáng)、弱場法測量質(zhì)子旋磁比γp的裝置,因此分為強(qiáng)磁場基準(zhǔn)和弱磁場基準(zhǔn)兩部分。它建立在基本物理常數(shù)及頻率測量的基礎(chǔ)上,因此也屬于量子基準(zhǔn)。
強(qiáng)磁場基準(zhǔn)由電磁鐵系統(tǒng)和磁天平系統(tǒng)組成。磁場由雙軛對(duì)稱型電磁鐵提供,磁場均勻性為1×10-6,采用核磁共振穩(wěn)場儀可使磁場穩(wěn)定度達(dá)到10-7量級(jí)。載流矩形線圈在磁場中受的力由特殊設(shè)計(jì)的磁天平系統(tǒng)來測量。我國強(qiáng)磁場基準(zhǔn)的復(fù)現(xiàn)不確定度為1.6×10-6,磁場范圍為0.5~1T。
弱磁場基準(zhǔn)采用線圈骨架為直徑300mm的石英管,在線圈中心點(diǎn)復(fù)現(xiàn)磁場單位的標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于1×10-6,磁場范圍為0.05~1 mT。
(二)磁場標(biāo)準(zhǔn)
我國的弱磁場標(biāo)準(zhǔn)由三米線圈系統(tǒng)、零場檢測儀、穩(wěn)流電源、電流測量裝置、電流測量裝置、地磁自動(dòng)補(bǔ)償裝置、標(biāo)準(zhǔn)測場儀等幾部分組成
(三)(磁感應(yīng)強(qiáng)度)量具
一切磁場現(xiàn)象的研究與應(yīng)用均離不開磁場,產(chǎn)生磁場的物體被稱為磁場源。如果磁場(磁感應(yīng)強(qiáng)度)的量值足夠準(zhǔn)確,則稱為標(biāo)準(zhǔn)磁場;提供標(biāo)準(zhǔn)磁場的磁場源就稱為磁場(磁感應(yīng)強(qiáng)度)量具。
磁場量具總是與測量儀器配套使用。它所產(chǎn)生的磁場必須有足夠的穩(wěn)定性和均勻性,此外還應(yīng)有相應(yīng)的工作空間。
磁場(磁感應(yīng)強(qiáng)度)量具同時(shí)也是磁化場(磁場強(qiáng)度)量具,主要有永磁體、磁場線圈和電磁鐵。不需要功率來維持其磁場的磁體稱為永磁體,它常用剩磁較大的一類材料制作,永磁體產(chǎn)生的磁場恒定,磁場穩(wěn)定性好,攜帶和使用方便,但磁場均勻區(qū)不大。電磁鐵相當(dāng)于一個(gè)帶有空氣間隙的鐵芯線圈,當(dāng)線圈中通過電流時(shí),鐵芯被融化,在氣隙中產(chǎn)生比空心線圈高數(shù)十倍的磁場,它是應(yīng)用極廣的產(chǎn)生強(qiáng)磁場的裝置,電磁鐵一般用磁軛、鐵心、極頭和繞在鐵心上的線圈構(gòu)成。磁場線圈是應(yīng)用*泛的一種磁場量具,其中又以亥姆霍茲線圈和螺線管為最常見,線圈內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為:
B = KI
式中:I——線圈繞組中通過的電流;
K——線圈的磁場常數(shù),即線圈繞組通過單位電流時(shí)產(chǎn)生的磁場,單位為T/A。
磁場量具的分類見表1-2-2。
表1-2-2 磁場量具的種類
名稱 | 磁場范圍 | 均勻區(qū) | 穩(wěn)定性 | |
永磁體 | 0.01~1T | 小 | 好 | |
電磁鐵 | 0.01~2T | 較小 | 取決于電源及溫升 | |
磁場線圈 | 亥姆霍茲線圈 | 10-9~10-1T | 大 | 取決于電源 |
螺線管 | 10-3~10-1T | 較大 | 取決于電源及溫升 | |
螺繞環(huán) | 10-5~10-3T | 較大 | 取決于電源及溫升 | |
超導(dǎo)磁體 | 1~20T | 較小 | 好 |
三、 磁通計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)
(一)磁通基準(zhǔn)
通常計(jì)算互感作為磁通標(biāo)準(zhǔn),以康貝爾線圈為最常見??地悹柧€圈是一種互感線圈,由一個(gè)多層繞組的次級(jí)線圈與一個(gè)分段繞制、同軸放置的單層螺旋形繞組的初級(jí)線圈所組成。我國磁通主基準(zhǔn)線圈就是康貝爾線圈。
(二)磁通量具
磁通量具兩類:互感線圈和磁場線圈與測量線圈組合的磁通量具。
在直流(沖擊)條件下工作的互感線圈的磁通常數(shù)就是它的互感值。
即:Kφ=φ/I=M
在磁場常數(shù)為KB的磁場線圈中,同軸放置面積常數(shù)為KSW的測量線圈,則這種組合式磁通量具的磁通常數(shù)為:
Kφ=KBKSWcosα
式中,α——兩線圈軸線的夾角。
(三)標(biāo)準(zhǔn)測量線圈
標(biāo)準(zhǔn)測量線圈是線匝總面積一定的線圈,其面積常數(shù)KSW為每匝線圈的平均截面面積S和總匝數(shù)W的乘積:
KSW=SW
單層繞組的標(biāo)準(zhǔn)測量線圈的面積常數(shù)由線圈的幾何尺寸計(jì)算得到,多層繞組的標(biāo)準(zhǔn)測量線圈的面積常數(shù)往往由實(shí)驗(yàn)確定。線圈面積常數(shù)的單位為m2。標(biāo)準(zhǔn)測量線圈用作磁場探測器,反映線圈內(nèi)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度,它有圓柱形、球形、長方形等多種形狀。形狀的選擇由被測磁場的強(qiáng)弱和形態(tài)來定。測量弱磁場時(shí),需選用KSW大的線圈;測量不均勻磁場時(shí),需選用體積小的線圈。
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