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磁学计量单位的复现

作者:  浏览量:1206  发布时间:2014-03-06


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。

 

磁矩量具

      磁矩量具分为两大类型永磁体和载流线圈

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

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。

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

 

、 磁场磁感应强度计量标准

 

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。

 

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组成框见图1-2-1。

 

 


 


                                                                                                                                                          

1-2-1   我国弱磁场标准框图

)(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。

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

 

 

、 磁通计量标准

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。

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。

      :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。

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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