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磁学计量单位的复现

发布时间:2019-08-02 12:51:44      发布人:上海圣通  浏览量:291

作为导出单位的磁学单位通常由磁学量的定义方程式来确定。主要涉及的磁学概念有磁矩(包括由其生出的磁化强度、磁极化强度、比磁极强度、比磁极化强度等)、磁感应强度磁场强度(包括磁导率、磁化率等)和磁通等。

      磁学单位量值的确定是靠有关量的基准装置实现的,而复现磁学单位的实物称为磁学量具。常用磁学量具有磁矩量具、磁通量具和标准测量线圈。

 

一、磁矩量具

      磁矩量具分为两大类型:永磁体和载流线圈。

(一)永磁体

      永磁体一般以钴钢为材料,通常做成旋转椭球或圆柱形,其磁矩量值范围为0.1~100Am2,不确定度为0.1%~0.2%。

采用永磁体作磁矩量具时,体积小、不需要电源、使用方便;但是磁矩值不连续,而且磁矩值随时间缓慢变化,受环境条件(温度、外磁场及机械振动)影响较大。

(二)载流线圈

      任意电流回路的磁矩为线圈内的电流与线圈总面积的乘积。即:

m = I KSW

      式中:KSW——线圈的面积常数,也称为线圈的磁矩常数。

      KSW可根据线圈尺寸计算得到,也可由实验方法确定。对于圆柱形线圈:

KSW  = SW

      式中:S——绕组的平均截面积;

               W——绕组匝数。

      采用载流线圈作磁矩量具,要求在线圈外部产生的磁场足够均匀。由绕组尺寸计算线圈磁矩常数的不确定度优于1×10-4。

 

二、 磁场(磁感应强度)计量标准

 

(一)磁场基准

      我国的磁场基准装置实际上就是用于绝对测量电流的强、弱场法测量质子旋磁比γp的装置,因此分为强磁场基准和弱磁场基准两部分。它建立在基本物理常数及频率测量的基础上,因此也属于量子基准。

      强磁场基准由电磁铁系统和磁天平系统组成。磁场由双轭对称型电磁铁提供,磁场均匀性为1×10-6,采用核磁共振稳场仪可使磁场稳定度达到10-7量级。载流矩形线圈在磁场中受的力由特殊设计的磁天平系统来测量。我国强磁场基准的复现不确定度为1.6×10-6,磁场范围为0.5~1T。

      弱磁场基准采用线圈骨架为直径300mm的石英管,在线圈中心点复现磁场单位的标准不确定度小于1×10-6,磁场范围为0.05~1 mT。

 

(二)磁场标准

      我国的弱磁场标准由三米线圈系统、零场检测仪、稳流电源、电流测量装置、电流测量装置、地磁自动补偿装置、标准测场仪等几部分组成

(三)(磁感应强度)量具

      一切磁场现象的研究与应用均离不开磁场,产生磁场的物体被称为磁场源。如果磁场(磁感应强度)的量值足够准确,则称为标准磁场;提供标准磁场的磁场源就称为磁场(磁感应强度)量具。

      磁场量具总是与测量仪器配套使用。它所产生的磁场必须有足够的稳定性和均匀性,此外还应有相应的工作空间。

磁场(磁感应强度)量具同时也是磁化场(磁场强度)量具,主要有永磁体、磁场线圈和电磁铁。不需要功率来维持其磁场的磁体称为永磁体,它常用剩磁较大的一类材料制作,永磁体产生的磁场恒定,磁场稳定性好,携带和使用方便,但磁场均匀区不大。电磁铁相当于一个带有空气间隙的铁芯线圈,当线圈中通过电流时,铁芯被融化,在气隙中产生比空心线圈高数十倍的磁场,它是应用极广的产生强磁场的装置,电磁铁一般用磁轭、铁心、极头和绕在铁心上的线圈构成。磁场线圈是应用最广泛的一种磁场量具,其中又以亥姆霍兹线圈和螺线管为最常见,线圈内部磁感应强度为:

B = KI

      式中:I——线圈绕组中通过的电流;

               K——线圈的磁场常数,即线圈绕组通过单位电流时产生的磁场,单位为T/A。

      磁场量具的分类见表1-2-2。

表1-2-2 磁场量具的种类

名称

磁场范围

均匀区

稳定性

永磁体

0.01~1T

电磁铁

0.01~2T

较小

取决于电源及温升

磁场线圈

亥姆霍兹线圈

10-9~10-1T

取决于电源

螺线管

10-3~10-1T

较大

取决于电源及温升

螺绕环

10-5~10-3T

较大

取决于电源及温升

超导磁体

1~20T

较小

 

 

三、 磁通计量标准

(一)磁通基准

      通常计算互感作为磁通标准,以康贝尔线圈为最常见。康贝尔线圈是一种互感线圈,由一个多层绕组的次级线圈与一个分段绕制、同轴放置的单层螺旋形绕组的初级线圈所组成。我国磁通主基准线圈就是康贝尔线圈。

(二)磁通量具

      磁通量具两类:互感线圈和磁场线圈与测量线圈组合的磁通量具。

      在直流(冲击)条件下工作的互感线圈的磁通常数就是它的互感值。

      即:Kφ=φ/I=M

      在磁场常数为KB的磁场线圈中,同轴放置面积常数为KSW的测量线圈,则这种组合式磁通量具的磁通常数为:

      Kφ=KBKSWcosα

      式中,α——两线圈轴线的夹角。

(三)标准测量线圈

      标准测量线圈是线匝总面积一定的线圈,其面积常数KSW为每匝线圈的平均截面面积S和总匝数W的乘积:

      KSW=SW

      单层绕组的标准测量线圈的面积常数由线圈的几何尺寸计算得到,多层绕组的标准测量线圈的面积常数往往由实验确定。线圈面积常数的单位为m2。标准测量线圈用作磁场探测器,反映线圈内的平均磁感应强度,它有圆柱形、球形、长方形等多种形状。形状的选择由被测磁场的强弱和形态来定。测量弱磁场时,需选用KSW大的线圈;测量不均匀磁场时,需选用体积小的线圈。


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