磁场的产生与测量

磁场的产生与测量磁场的分类磁场的产生磁场的测量共65页磁场的分类方法地磁场生物磁场静磁场脉冲磁场交流磁场直流磁场电磁波时间频率微波磁场电磁铁超导磁体螺线管装置铁芯线圈材料电磁场原子磁矩人造磁场自然磁场电流人造磁铁天然磁铁磁场的产生1.永久磁铁2.电流磁铁2.1.无磁芯磁场线圈2.1.1.Helmholtz线圈2.1.2.螺线管2.1.3.脉冲磁场2.1.4.超导磁体2.2.有磁芯磁场线圈－电磁铁3.其它磁场1.永久磁铁1.1.永久磁铁的种类天然磁石：主要以磁铁矿（Fe3O4）为主中国：慈石；梵文：ayaskânta；法国：L’aimant；西班牙：iman；匈牙利：magnetkö磁铁矿（Magnetite，ferroferricoxide）：Fe3O4矿（AB2O4，尖晶石）赤铁矿（Hematite，ferrousoxide）：－Fe2O3矿黑铁矿（Wuestite，ferricoxide）：FeO矿人造磁石：钢、永磁（磁铅石）铁氧体、Fe－Co－M合金、Alnico、MnAlC、稀土永磁{Sm－Co，Nd－Fe－(B,C)、Nd－Fe－Ti、Sm－Fe－(C,N)}1.永久磁铁1.2.永久磁铁磁场的磁路计算计算依据：高斯定理和安培环路定理计算方法：无漏磁假设＋漏磁修正有限元方法dd0VABVBAllggmmABABABllggmmLHLHLH0dClHLmAmLgAg磁路：异常重要1.永久磁铁1.3.永久磁铁的使用形式固定磁场：磁场间隙和磁场强度均固定（参考磁场、磁共振）可调磁场：磁场间隙固定、磁场强度可调（测量）永久磁铁与软铁组合21HHH永磁体可以产生的磁场•无叠加情况（单一磁体）012theorySHBNd2Fe14B：BS＝1.62TAlNiCo：BS＝2.20TFe－Co：BS＝2.40T；•永磁体对0theorySHB•磁场叠加原理（压缩技术）日本住友特殊金属公司：4.4T（烧结Nd－Fe－B）2.电流磁铁电流的磁效应（H.C.Oersted，1820年，丹麦）电流磁铁（D.F.J.Arago，1820年，法国）发电机（M.Faraday，1831年，英国）（H.F.E.Lenz，1834年，德国）电动机（N.Tesla，1881年，克罗地亚－美国）磁场－电流（H～I）2.电流磁铁2.1.无磁芯磁场线圈无限长直导线：圆电流线圈轴线：IrHJH20ˆd4drrlIB运动点电荷：03(')4'qvrrBrrq,vr’rOr－r’02ˆ4IBr2/32220)(2dxRIRBBxIxR依据：Maxwell方程，Biot－Savart定律2.电流磁铁2.1.1.Helmholtz线圈一对结构相同的薄圆线圈同轴串联、线圈之间的距离等于线圈半径R。单个线圈匝数为N；电流强度为I。oRRxyP(x,y)内部任意一点P(x,y)的磁场为：3242240Px44110.144(8243)5[T]NIBxxyyRR220Py50.0412148(4[3)T]NIyBxxyR线圈中心O(0,0)的磁场为：32O004[T0.71][T5]5NINIBRR2.电流磁铁2.1.1.Helmholtz线圈实际Helmholtz线圈：圆线圈：螺旋线圈，螺距2p；半径R：平均半径；距离L：偏离半径R；线圈的层数：多层，层数WoLRRxyP(x,y)内部任意一点P(x,y)的磁场的一般表达式为：0240022424221[T]2.电流磁铁2.1.2.螺线管单层螺线管：多层螺线管：一根导线螺旋绕制。总长度L；总匝数N，电流为I。螺线管轴线上的磁场为：B0＝0KI，K为线圈常数。002222[T]2()()NIlxlxBLRlxRlx00BKI无限长单层螺线管：单层螺线管中心：0022[T]NIlBLRl00[T]NIBLxl＝L/2LRB＝B0/22.电流磁铁2.1.3.脉冲磁场－强磁场螺线管、大电流。B＝0KI，K为线圈常数。tHtSarov，俄罗斯2800T脉冲人造最高磁场，破坏性NHMFL，美国300T?脉冲人造最高脉冲磁场ELMF，欧盟100T脉冲Osaka，日本80T脉冲NHMFL，美国45T稳恒人造最高稳恒磁场，计划70TNijmegen,荷兰33T稳恒Tsukuba,日本30T稳恒等离子体所，中国20T稳恒非破坏性（脉冲、稳恒）、破坏性1960年，美国MIT建立强磁场实验室（HML，F.Bitter），25T。LocationDCPowerSupplyLargestFieldResistiveHybridBraunschweig(TU)6MW18.2Tin32mmCambridge,Mass(FBNML)10MW24Tin32mm35.2Tin32mmGrenoble(MPI-CNRS)24MW25Tin50mm31.4Tin50mm合肥等离子体所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强磁场实验室铜质线圈铜质线圈＋超导磁体中国科学院合肥等离子体物理研究所日本大阪大学极限科学研究中心超强磁场分部(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)capacitor0.1MJ5MJ150Tin10mm200Tin6mm550Tin9mm6s6s3sTsukubacapacitor1.6MJ65Tin16mm100msWorcester(Mass.)capacitor0.35MJ47Tin10mm10msAmsterdamutilitygrid:6MW40Tin20mm1500ms(100ms)Berlincapacitor0.4MJcapacitor0.2MJ62Tin18mm200Tin12mm310Tin5mm12ms5s3sLocationPowerSupplyLargestFieldPulseLengthBraunschweigcapacitor0.04MJ27Tin12mm12msBristolcapacitor0.18MJ60Tin10mm10msDublincapacitor0.3MJ26Tin28mm200msFrankfurtcapacitor0.8MJ50Tin22mm18msLeuvencapacitor1.2MJ60Tin20mm73Tin10mm20ms10msMoscow(KU)capacitor0.18MJ55Tin5mm15msMoscowcapacitor0.03MJ32Tin3mm8ms(StateUni)Oxfordcapacitor0.8MJ50Tin20mm15msOportocapacitor0.6MJ25Tin30mm1.4sParmacapacitor1.0MJ+60Tin22mm10-100msStPetersburgcapacitor0.08MJ40Tin20mm8ms(IoffeInst)StPetersburgcapacitor0.8MJ10Tin250mm20ms(Polytechnic)Toulousecapacitor1.25MJcapacitor12MJ42Tin28mm61Tin14mm60Tin30mm70Tin30mm1s200ms1s400msWiencapacitor0.075MJ43Tin25mm2msWroclawcapacitor0.07MJ47Tin10mm10msZaragozacapacitor1.2MJ31Tin30mm1.6sListofpulsedfieldfacilitiesoftheWorld2.电流磁铁2.1.4.超导磁体－强磁场螺（超导）线管、大电流。B0＝0KI，K为线圈常数。I类超导体II类超导体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，44.0Tesla2.电流磁铁2.1.4.超导磁体－强磁场超导磁体的设计NbTi线（9T）NbSn线＋NbTi线（9T）00BKI大均匀区2.电流磁铁2.1.4.超导磁体－强磁场超导导线的制作6TeslaSuperconductingDipoleMagnet1981年8月31日，美国Argonne国家实验室（Lemont）Itwasabout22feetlong,13.5feetwide,16feettallandweighed200tons.2.电流磁铁2.2.电磁铁－有磁芯磁场线圈带有铁芯（水冷）螺线管。极头材料：纯铁：2.15TFe－Co合金：2.4T0002201lBMla20002201sincoslnlbBMMala2l0最大磁场arctan2最大磁场2arctan3均匀磁场ab3.其它磁场自然界存在的磁场（生物、天体）人类正常心磁场：10－10T人类正常脑磁场：5×10－12T外空间（outerspace）：10－10T～10－8T地球表面：2×10－5T～5×10－5T太阳黑子（sunspot）：～10T白矮星（whitedwarf）：102T～103T中子星（neutronstar）：106T～108T磁星（magnetar）：108T～1011T理论预言最大磁场：～1013T？1016T？磁场的产生人类可以操控的磁场范围－低场最低磁场：0T？H0B02R22R100(1)kBH0033