磁性測(cè)量基礎(chǔ)篇之磁路-磁學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-中國(guó)科學(xué)院物理研究所

1、中國(guó)科學(xué)院物理研究所 ? 通用實(shí)驗(yàn)技術(shù)公共課程,《磁性測(cè)量》,趙同云磁學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2024年2月29日,第三講：磁場(chǎng)的產(chǎn)生,聲 明,磁場(chǎng)的產(chǎn)生,磁場(chǎng)的分類(lèi) 人工產(chǎn)生的磁場(chǎng) 永磁磁場(chǎng) 電流磁場(chǎng) 零磁場(chǎng)空間,磁場(chǎng)的分類(lèi)方法,周期性（空間、時(shí)間）磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小磁場(chǎng)的來(lái)源,,,磁場(chǎng)的分類(lèi)：周期性,穩(wěn)恒磁場(chǎng),脈沖磁場(chǎng)～ ms～ ?s～ ns～ ps～ fs,交變磁場(chǎng),直流磁場(chǎng),電 磁 波1015 Hz,時(shí)

2、間,頻 率,微波磁場(chǎng),均勻磁場(chǎng),梯度磁場(chǎng),空 間,非均勻磁場(chǎng),射頻磁場(chǎng),工頻磁場(chǎng),調(diào)制磁場(chǎng),Fourier變換,零磁場(chǎng),,,,磁場(chǎng)的分類(lèi)：磁場(chǎng)強(qiáng)度,弱磁場(chǎng),強(qiáng)磁場(chǎng),微弱磁場(chǎng)10?15 T,超強(qiáng)磁場(chǎng)1016 T,1 mT,0.1 T,10 T,,磁場(chǎng)的分類(lèi)：來(lái)源,地 磁 場(chǎng),生物磁場(chǎng),電 磁 場(chǎng),原子磁矩,人造磁場(chǎng),自然磁場(chǎng),電 流,人造磁鐵,天然磁鐵,空間磁場(chǎng),,物理本質(zhì),磁場(chǎng)的分類(lèi)：來(lái)源,,電 磁 鐵,超導(dǎo)磁體,螺 線 管,

3、裝置,鐵芯,線圈材料,電 流,,人造磁場(chǎng),1. 永久磁鐵2. 電流磁鐵 2.1. 無(wú)磁芯磁場(chǎng)線圈 2.1.1. 基礎(chǔ)理論/元電流線圈的磁場(chǎng) 2.1.2. 有限尺寸線圈、電流密度 2.1.3. 螺線管 2.1.4. 線圈對(duì)：Helmholtz線圈 2.1.5. 超導(dǎo)磁體

4、 2.1.6. 脈沖磁場(chǎng) 2.2. 有磁芯磁場(chǎng)線圈－電磁鐵3. 其它磁場(chǎng),永久磁鐵,磁石（慈石）、磁鐵永（恒）磁體（材料）硬磁材料,永遠(yuǎn)的磁路,High Magnetic Fields: Science and Technology (Vol. 1), Magnet Technology and Experimental Techniques, 25～47, (F. Herlach, N. Miura,

5、 Editors, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2003.),關(guān)于永磁體磁場(chǎng)的文獻(xiàn),K. Halbach, “Design of permanent multipole magnets with oriented rare earth cobalt material,” Nuclear Instruments and Methods, 169 (1980), 1-10.K. H

6、albach, “Physical and optical properties of rare earth cobalt magnets,” Nuclear Instruments and methods, 187 (1981), 109-117.F. Bloch, O. Cugat, G. Meunier, “Innovating approaches to the generation of intense magnetic f

7、ields: Design and optimization of a 4 Tesla permanent magnet flux source,” IEEE Transactions on Magnetics, 34(5) (1998), 2465-2468.H. A. Leupoid, E. Potenziani II, M. G. Abele, “Applications of yokeless flux confinement

8、,” Journal of Applied Physics, 64(10) (1988), 5994-5996.O. Cugat, R. Byme, J. McCaulay, J. M. D. Coey, “A compact vibrating-sample magnetometer with variable permanent magnet flux source,” The Review of Scientific Instr

9、uments, 65(11) (1994), 3570-3573.O. Cugat, P. Hansson, J. M. D. Coey, “Permanent magnet variable flux sources,” IEEE Transactions on Magnetics, 30(6) (1994), 4602-4604.,1. 永久磁鐵,1.1. 永久磁鐵的種類(lèi),天然磁石：主要以磁鐵礦（ Fe3O4 ）為主

10、 中國(guó)：慈石；梵文：ayaskânta；法國(guó)：L’aimant； 西班牙：iman；匈牙利：magnetkö,磁鐵礦（Magnetite，ferroferric oxide）：Fe3O4礦（AB2O4，尖晶石）赤鐵礦（Hematite，ferrous oxide）：?－Fe2O3礦黑鐵礦（Wuestite，ferric oxide）：FeO礦,人造

11、磁石：鋼、永磁（磁鉛石）鐵氧體、Fe－Co－M合金、 Alnico、MnAlC、稀土永磁 {Sm－Co，Nd－Fe－(B, C)、 Nd－Fe－Ti、Sm－Fe－(C, N) },永磁體－1,1. 永久磁鐵,1.2. 永久磁鐵磁場(chǎng)的磁路計(jì)算,計(jì)算依據(jù)：高斯定理和安培環(huán)路定理,計(jì)算方法：?無(wú)漏磁假設(shè) ＋ 漏磁修正 ? 有限元方法,,,,,,,Lm,Am,Lg,Ag,永磁

12、體－2,1. 永久磁鐵,1.3. 永久磁鐵的使用形式,固定磁場(chǎng)：磁場(chǎng)間隙和磁場(chǎng)強(qiáng)度均固定（參考磁場(chǎng)、磁共振）,可調(diào)磁場(chǎng)：磁場(chǎng)間隙固定、磁場(chǎng)強(qiáng)度可調(diào)（測(cè)量）,永久磁鐵與軟鐵組合,永磁體－3,永磁體可以產(chǎn)生的磁場(chǎng),無(wú)疊加情況（單一磁體）,,,Nd2Fe14B：BS＝1.62 TAlNiCo： BS＝2.20 TFe－Co： BS＝2.40 T；,永磁體對(duì),,,,磁場(chǎng)疊加原理（壓縮技術(shù)）,日本住友特殊金屬公司：4.4 T（燒結(jié)Nd－F

13、e－B）,永磁體－4,圓柱體極頭和圓臺(tái)極頭,圓柱體極頭（對(duì)）,,,,rg,,,M,M,,,z,x,,lg,?1,?2,z0,,,,軸線上點(diǎn)（0, 0, z0）：,極頭截面,永磁體－5,R+,R-,圓柱體極頭和圓臺(tái)極頭,圓柱體極頭（對(duì)）,軸線上點(diǎn)（0, 0, 0）：,最高磁場(chǎng),純Fe：2.2 T；NdFeB：1.6 T；AlNiCo8：2.2 T,永磁體－6,,,圓柱體極頭和圓臺(tái)極頭,倒角圓柱體（圓臺(tái)）極頭（對(duì)）,,,,,,,,,,,

14、,,,z0,z?,,rg,,z,x,?,,,r0,,,,,lg,,M,,M,,,r,永磁體－7,,圓柱體極頭和圓臺(tái)極頭,倒角圓柱體（圓臺(tái)）極頭（對(duì)）,,,,,,,,,,z0,z?,,rg,,z,x,?,,,r0,,,,,lg,,M,,M,,,r,,永磁體－8,,R,?,圓柱體極頭和圓臺(tái)極頭,倒角圓柱體（圓臺(tái)）極頭（對(duì)）,,在圓錐體的頂點(diǎn),,,,,,最大值條件,永磁體－9,?,,,,,r,z?,圓柱體極頭和圓臺(tái)極頭,倒角圓柱體（圓臺(tái)）極頭

15、（對(duì)）,在圓錐體的頂點(diǎn)：,最大值條件下：,,永磁體－10,共頂點(diǎn),圓柱體極頭和圓臺(tái)極頭,倒角圓柱體（圓臺(tái)）極頭（對(duì)）,任意倒角頂點(diǎn)重合,永磁體－11,磁場(chǎng)線性疊加原理,Halbach磁體,Linear Superposition Principle,永磁體：磁偶極子,永磁體－12,永磁體（磁偶極子）單元,,,磁場(chǎng)線性疊加原理,永磁體性能與磁偶極子假設(shè),永磁體－13,,,,,H,M(B),Mr,HCM,HCB＝Mr,,H退磁化,M_H,

16、B_H,,,,,,,HCM >> HCB,磁場(chǎng)線性疊加原理,Halbach磁體：理論,永磁體－14,永磁體（磁偶極子）單元的磁場(chǎng)：,,,,磁場(chǎng)線性疊加原理,Halbach磁體：理論,永磁體－15,Halbach磁體的條件：,,,,? = ?,永磁體單元的數(shù)目：N,磁場(chǎng)線性疊加原理,Halbach磁體：例子（文獻(xiàn)1）,永磁體－16,,,,rext,易軸連續(xù)變化：,,,,rint,,,,,,,,,H,,,磁場(chǎng)線性疊加原理,Hal

17、bach磁體：例子（文獻(xiàn)1）,永磁體－17,永磁體單元數(shù)目：N ? 8,易軸分立變化：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,segmented multipole,,,,9,,,,12,,,磁場(chǎng)線性疊加原理,Halbach磁體：永磁體磁場(chǎng)的新篇章,永磁體－18,rint＝5.0 cmrext＝100.0 cmL＝50.0 cm?0M＝1.5 T,體積＝1.567 m3質(zhì)量＝12 噸,,,,磁場(chǎng)線性

18、疊加原理,Halbach磁體：其它類(lèi)型,永磁體－19,1、磁場(chǎng)強(qiáng)度：主要來(lái)源于靠近空腔的部分永磁體！,2、多極性磁體（文獻(xiàn)3）,同樣適用于電流磁體,,,,,3、借助微磁學(xué)理論模擬,絕對(duì)的清潔能源：,電動(dòng)、發(fā)電：效率～% ???,磁場(chǎng)線性疊加原理,磁場(chǎng)強(qiáng)度可調(diào)、方向可變的永磁體磁場(chǎng),永磁體－20,,,,,,,,,,,(a、文獻(xiàn)4&5),,,,,,,,,d,,a,,,,d,(b、文獻(xiàn)6),,,,?,?,?,?,沒(méi)有絕對(duì)的終點(diǎn)！,,電

19、流的磁效應(yīng)（H. C. Oersted，1820年，丹麥）,發(fā)電機(jī)（M. Faraday，1831年，英國(guó)） （H. F. E. Lenz，1834年，德國(guó)）電動(dòng)機(jī)（N. Tesla，1881年，克羅地亞－美國(guó)）,電流磁鐵（D. F. J. Arago，1820年，法國(guó)）,2. 電流磁鐵,磁場(chǎng)～電流（H ～ I）,電流磁場(chǎng)（J. B. Biot & F. Savart，1820年，法國(guó)）,電

20、流受力（A. M. Ampere，1820年，法國(guó)）,（J. Henry，1829年，美國(guó)）,,Joseph Sauveur,電流磁體,元電流線圈的磁場(chǎng)電流密度分布、磁場(chǎng)、電功率線圈對(duì)的磁場(chǎng)其它特殊磁場(chǎng)：超導(dǎo)磁體、脈沖磁場(chǎng),,2. 電流磁鐵,2.1.1. 基礎(chǔ)理論：依據(jù),運(yùn)動(dòng)點(diǎn)電荷：,Ampère定律與Biot－Savart定律,電流磁鐵－1,2. 電流磁鐵,2.1.1. 基礎(chǔ)理論：Biot-Savart定律的應(yīng)用,準(zhǔn)靜

21、態(tài)（不適用于迅速變化的電流）,電流磁鐵－2,用電流密度 J 代替電流強(qiáng)度 I,無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線：,圓電流線圈軸線：,,細(xì)導(dǎo)線,電荷連續(xù)性方程,數(shù)學(xué),,,,矢量的Stokes積分定理：,,“旋度場(chǎng)無(wú)源”：,電荷連續(xù)性方程：,,,非瞬變電流,2. 電流磁鐵,2.1.1. 元電流線圈的磁場(chǎng)－圓形截面,元電流線圈：?jiǎn)卧?、?dǎo)線截面積為零、電流 I。,電流磁鐵－3,2. 電流磁鐵,2.1.1. 元電流線圈的磁場(chǎng)－圓形截面,第一類(lèi)完全橢圓積分,電流磁

22、鐵－4,第二類(lèi)完全橢圓積分,2. 電流磁鐵,2.1.1. 元電流線圈的磁場(chǎng)－圓形截面,在線圈平面的中心位置：z ＝ 0、? ＝ 0,電流磁鐵－5,,,？,,銅導(dǎo)線的截面積,銅導(dǎo)線的電流密度,不發(fā)熱：～1.0 A/mm2,,,,,,,L,,L,,,,,,,,,,,2. 電流磁鐵,2.1.1. 元電流線圈的磁場(chǎng)－矩形截面,元電流線圈：?jiǎn)卧?、?dǎo)線截面積為零、電流 I。,電流磁鐵－6,,z,,,,,,2a,,2b,x,y,,,I,,,,2. 電

23、流磁鐵,2.1.2. 有限尺寸（厚）線圈的磁場(chǎng),電流磁鐵－7,G(?, ?)： Fabry因子J(r) ：電流密度?：填充因子?c：電阻率,磁場(chǎng)強(qiáng)度與電功效率：,（形式上）,,,,,,,,,,,,,,,,2a,,2? a,,2? a,,,Fabry因子的應(yīng)用,典型值： ～ 0.185（Gaume coil）,線圈內(nèi)徑：2a＝10 cm導(dǎo)線電阻率：30 n??m,填充因子：0.80?0＝4??10?7 H/m,2. 電流磁鐵,2

24、.1.2. 電流密度－1：均勻分布,電流磁鐵－8,電流密度：J(r) =I/S,,,,,,,,,,,Fabry因子：,細(xì)導(dǎo)線（超導(dǎo)磁體）,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－1：均勻分布,電流磁鐵－9,? ＝ 3.095? ＝ 1.862G(?, ?) ＝0.142 624,,,,,?,?,最省電幾何,G(?, ? ),1.1高度 ? 半徑,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－1：均勻分布,電流磁鐵－10,磁場(chǎng)～幾何,細(xì)導(dǎo)線

25、,,,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－2：徑向分布,電流磁鐵－11,電流密度：J(r) =I/r,,,,,,,,,,,Fabry因子：,Bitter線圈,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－2：徑向分布,電流磁鐵－12,? ＝ 6.423? ＝ 2.146G(?, ?) ＝0.166 461,,,,,?,?,最省電幾何,G(?, ? ),1.7高度 ? 半徑,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－2：徑向分布,電流磁鐵

26、－13,磁場(chǎng)～幾何,Bitter線圈,,,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－2：徑向分布,電流磁鐵－14,電流分布：J(r)=I/r,Bitter線圈,單匝（超強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)）,多匝（圓環(huán)片）,,,銅導(dǎo)線的截面積：再算磁場(chǎng),銅導(dǎo)線的電流密度,不發(fā)熱：～1.0 A/mm2,前面的例子,最省電幾何,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－3：Gaume分布,電流磁鐵－15,電流分布：J(r)=I/r?f(z),Gaume線圈,,,,,,,

27、,,厚度漸變圓環(huán)片,,,,,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－3：Gaume分布,電流磁鐵－16,電流分布：,Gaume線圈,Fabry因子：,Legendre第一類(lèi)橢圓積分,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－3：Gaume分布,電流磁鐵－17,? ＝ 7.757? > 38G(?, ?) ＝0.185 417,,,,?,?,最省電幾何,G(?, ? ),,,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－3：Gaume

28、分布,電流磁鐵－18,磁場(chǎng)～幾何,Gaume線圈,,,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－4：梯形分布,電流磁鐵－19,電流密度：J(r) =I/r2,Fabry因子：,等腰梯形截面線圈,,,,,,,,,,,,,,,a,,? a,,2? a,?,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－4：梯形分布,電流磁鐵－20,電流密度：J(r) =I/r2,等腰梯形截面線圈,,,a,,,,,,,,,? a,2? a,,?,2. 電流磁鐵,2.1

29、.2. 電流密度－4：梯形分布,電流磁鐵－21,等腰梯形截面線圈,,,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－5：最佳分布,電流磁鐵－22,H. Zijlstra《Experimental Methods in MagnetismGeneration and computation of magnetic fields》page 53 ～ page 55,最大磁場(chǎng),相同的能耗,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－5：最佳分布,

30、電流磁鐵－23,如果A1和A2滿足Euler方程,,,,,,,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－5：最佳分布,電流磁鐵－24,,?,?,電流密度等高線圖,MaxwellKelvin,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－5：最佳分布,電流磁鐵－25,Fabry因子：,最省電幾何,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－5：最佳分布,電流磁鐵－26,Fabry因子,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－5：最佳分布,電流磁鐵－

31、27,線圈幾何因子：,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度－5：最佳分布,電流磁鐵－28,線圈幾何因子：,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度：總結(jié),電流磁鐵－29,,2. 電流磁鐵,2.1.2. 電流密度：總結(jié),電流磁鐵－30,,均勻,Bitter,Gaume,最佳,等腰梯形,2. 電流磁鐵,2.1.3. 螺線管,電流磁鐵－31,一根細(xì)導(dǎo)線繞制的單層圓柱形線圈,＝由元電流線圈連接而成的線圈,單層螺線管：,無(wú)限長(zhǎng)單層螺線管：,單層螺

32、線管中心：,,B＝B0/2,總長(zhǎng)度L；總匝數(shù)N，電流為I0,2. 電流磁鐵,2.1.3. 螺線管,電流磁鐵－32,一根細(xì)導(dǎo)線繞制的多層圓柱形線圈,＝由元電流線圈連接而成的線圈,多層螺線管：電流均勻分布,總長(zhǎng)度L；總匝數(shù)N，電流為I0,2. 電流磁鐵,2.1.3. 螺線管,電流磁鐵－33,一根粗導(dǎo)線繞制的單層圓柱形線圈,總長(zhǎng)度L；總匝數(shù)N，電流為I0,單層螺線管：電流徑向分布,2. 電流磁鐵,2.1.3. 螺線管,電流磁鐵－34,一根粗導(dǎo)

33、線繞制的多層圓柱形線圈,總長(zhǎng)度L；總匝數(shù)N，總層數(shù)m，每一層匝數(shù)Ni，電流為I0,多層螺線管：電流徑向分布,2. 電流磁鐵,2.1.3. 螺線管－磁場(chǎng),螺線管軸線上的磁場(chǎng)為：,,,,,,z,,,,,l＝L/2,L,,,,,a,K 為線圈常數(shù),電流磁鐵－35,2. 電流磁鐵,2.1.4. Helmholtz線圈,一對(duì)結(jié)構(gòu)相同的薄圓線圈同軸串聯(lián)、線圈之間的距離等于線圈半徑a。單個(gè)線圈匝數(shù)為N；電流強(qiáng)度為I0。,內(nèi)部任意一點(diǎn)P (z, y)

34、的磁場(chǎng)為：,線圈中心O (0, 0)的磁場(chǎng)為：,電流磁鐵－36,2. 電流磁鐵,2.1.4. Helmholtz線圈,電流磁鐵－37,實(shí)際Helmholtz線圈：圓線圈：? 螺旋線圈，螺距2p；半徑R：? 平均半徑；距離L：? 偏離半徑a；線圈的層數(shù)：? 多層，層數(shù)m,內(nèi)部任意一點(diǎn)P (z, y)的磁場(chǎng)的一般表達(dá)式為：,參見(jiàn)《計(jì)量測(cè)試技術(shù)手冊(cè) ? 第7卷 電磁學(xué)》表7－5.,,2. 電流磁鐵,2.1.4. 線圈對(duì)－均勻性,電流磁

35、鐵－38,（i）圓形元電流線圈對(duì),在線圈對(duì)的軸線上（0, z）處的磁場(chǎng)強(qiáng)度：,,,,,d,,,a,a,z,,2. 電流磁鐵,2.1.4. 線圈對(duì)－均勻性,電流磁鐵－39,（i）圓形元電流線圈對(duì),,,,,d,,,a,a,z,線圈對(duì)的軸線中心對(duì)稱(chēng)性：只有偶次項(xiàng),Helmholtz條件：d＝a,二階導(dǎo)數(shù),,,,2. 電流磁鐵,2.1.4. 線圈對(duì)－均勻性,電流磁鐵－40,（i）圓形元電流線圈對(duì),,,,d = a,,a,z,Helmholtz條

36、件：d＝a,,,a,,,球諧函數(shù)展開(kāi)：,,雙檢測(cè)線圈信號(hào)反向,,,2. 電流磁鐵,2.1.4. 線圈對(duì)－均勻性,電流磁鐵－41,（ii）矩形元電流線圈對(duì),在線圈對(duì)的軸線上（0, z）處的磁場(chǎng)強(qiáng)度：,,,,,d,,,2a,2b,z,,,,,,,,x,y,,,,,2. 電流磁鐵,2.1.4. 線圈對(duì)－均勻性,電流磁鐵－42,（ii）矩形元電流線圈對(duì),,,,,d,,,2a,2b,z,,,,,,,,x,y,Helmholtz條件：,二階導(dǎo)數(shù),

37、,2. 電流磁鐵,2.1.4. 線圈對(duì)－均勻性,電流磁鐵－42,（ii）矩形元電流線圈對(duì),,,,,d,,,2a,2a,z,,,,,,,,x,y,方形元電流線圈對(duì)的Helmholtz條件：,中心位置的磁場(chǎng)：,2. 電流磁鐵,2.1.4. 線圈對(duì)－均勻性,電流磁鐵－43,（iii）更均勻的磁場(chǎng),圓形元電流線圈,四階導(dǎo)數(shù)：,六階導(dǎo)數(shù)：,兩對(duì)線圈,三對(duì)線圈？,,2. 電流磁鐵,2.1.4. 線圈對(duì),電流磁鐵－44,（iii）更均勻的磁場(chǎng),圓形元

38、電流線圈對(duì),兩對(duì)線圈,,,,d1,z,,,a2,,a1,,,d2,,,,,,Maxwell,Helmholtz,2. 電流磁鐵,2.1.4. 線圈對(duì)－兩對(duì)線圈,電流磁鐵－45,（iii）更均勻的磁場(chǎng),圓形元電流線圈,二階導(dǎo)數(shù)與四階導(dǎo)數(shù)同時(shí)為零：（匝數(shù)匹配）,,,Helmholtz條件,,2. 電流磁鐵,2.1.4. 線圈對(duì)－兩對(duì)線圈,電流磁鐵－46,（iii）更均勻的磁場(chǎng),圓形元電流線圈,“意外”收獲：二階、四階、六階導(dǎo)數(shù)同時(shí)為零！,,

39、,,2. 電流磁鐵,2.1.4. 線圈對(duì)－梯度磁場(chǎng),電流磁鐵－47,（iv）（串聯(lián)反接）反（接）Helmholtz線圈,圓形元電流線圈,,,,,,d,,,a,a,z,,滿足Helmholtz條件時(shí)：d = a,串聯(lián)反接檢測(cè)線圈,2. 電流磁鐵,2.1.4. 線圈對(duì)－梯度磁場(chǎng),電流磁鐵－48,（iv）（串聯(lián)反接）反（接）Helmholtz線圈,圓形元電流線圈,,,,,,d,,,a,a,z,,串聯(lián)反接檢測(cè)線圈,,最均勻,2. 電流磁鐵,

40、2.1.5. 超導(dǎo)磁體,電流磁鐵－49,（i）超導(dǎo)導(dǎo)線,2. 電流磁鐵,2.1.5. 超導(dǎo)磁體,電流磁鐵－50,（i）超導(dǎo)導(dǎo)線,2. 電流磁鐵,2.1.5. 超導(dǎo)磁體,電流磁鐵－51,（ii）超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng),a. 多層螺線管：電流均勻分布,b. 線圈對(duì)：分立（劈裂）磁體,B0＝?0KI,2. 電流磁鐵,2.1.5. 超導(dǎo)磁體,電流磁鐵－52,（iii）超導(dǎo)磁體的經(jīng)濟(jì)性,,? ＝ 3.095? ＝ 1.862G(?, ?) ＝0.14

41、2 624,螺線管,體積最小,,,,,,2a,,,,2?a,,,,2?a,,B0＝?0KI0,2. 電流磁鐵,2.1.5. 超導(dǎo)磁體,電流磁鐵－53,（iv）超導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì),螺線管,NbTi線（< 9 T）,Nb3Sn線＋NbTi線（> 9 T）,大均勻區(qū),專(zhuān)業(yè)化,6 Tesla Superconducting Dipole Magnet,1981年8月31日， 美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lemont）,It was a

42、bout 22 feet long, 13.5 feet wide, 16 feet tall and weighed 200 tons.,2. 電流磁鐵,2.1.6. 脈沖磁場(chǎng),電流磁鐵－54,螺線管、大電流。 B＝?0KI0，K為線圈常數(shù)。,非破壞性（脈沖、穩(wěn)恒）、破壞性（單匝）,1960年，美國(guó)MIT建立強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室（HML，F(xiàn). Bitter），25 T。,2. 電流磁鐵,2.1.6. 脈沖磁場(chǎng),電流磁鐵－55,2. 電流

43、磁鐵,2.1.6. 脈沖磁場(chǎng)－特殊性,電流磁鐵－56,1、脈沖持續(xù)時(shí)間：?t,取決于磁體能夠承受的焦耳熱,波形因子線性：3；正弦：2；平臺(tái)：1.,紙上談兵,2. 電流磁鐵,2.1.6. 脈沖磁場(chǎng)－特殊性,電流磁鐵－57,2、磁場(chǎng)強(qiáng)度－抗壓強(qiáng)度、破壞性,取決于磁體能夠承受的壓力,紙上談兵,Maxwell stress (hoop stress),2. 電流磁鐵,2.1.6. 脈沖磁場(chǎng)－特殊性,電流磁鐵－58,2、磁場(chǎng)強(qiáng)度－抗壓強(qiáng)度、

44、破壞性,取決于磁體能夠承受的壓力,紙上談兵,2. 電流磁鐵,2.1.6. 脈沖磁場(chǎng)－特殊性,電流磁鐵－59,3、組合（電阻線圈+超導(dǎo)線圈）,4、破壞性（一次性、單匝）,5、測(cè)量技術(shù)（標(biāo)定）,中國(guó)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室！,世界著名DC強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室,銅質(zhì)線圈,銅質(zhì)線圈＋超導(dǎo)磁體,中國(guó)科學(xué)院合肥等離子體物理研究所,日本大阪大學(xué)極限科學(xué)研究中心超強(qiáng)磁場(chǎng)分部http://www.rcem.osaka-u.ac.jp/research_magn-j.h

45、tml,List of pulsed field facilities of the world,List of pulsed field facilities of the World,2. 電流磁鐵,2.2. 有磁芯電流線圈,電流磁鐵－60,（i）電磁鐵：帶有軟磁磁芯的螺線管,極頭材料：純鐵：2.15 TFe－Co合金：2.4 T,極頭遠(yuǎn)離飽和磁化時(shí)，,最高磁場(chǎng)，,,,線圈：Ni,,線圈靠近極頭間隙軛鐵分為兩個(gè)支路,,,,,,

46、,,2lg,,,,2. 電流磁鐵,2.2. 有磁芯電流線圈,電流磁鐵－61,（i）電磁鐵,,,最大磁場(chǎng),均勻磁場(chǎng),a,b,,最大磁場(chǎng),,lm,2. 電流磁鐵,2.2. 有磁芯電流線圈,電流磁鐵－62,（i）螺繞環(huán)：環(huán)形螺線管,在與線圈軸線同心的圓環(huán)上：,圓形截面：,矩形截面：,3. 其它磁場(chǎng),自然界存在的磁場(chǎng)（生物、天體）,人類(lèi)典型心磁場(chǎng)：? 10－10 T人類(lèi)典型腦磁場(chǎng)：? 5×10－12 T外空間（outer s

47、pace）：10－10 T ～ 10－8 T地球表面：2×10－5 T ～ 5×10－5 T太陽(yáng)黑子（sunspot）：～ 10 T白矮星（white dwarf）：102 T ～ 103 T中子星（neutron star）：106 T ～ 108 T磁星（magnetar）：108 T ～ 1011 T理論預(yù)言最大磁場(chǎng)：～ 1013 T ？ 1016 T ？,磁場(chǎng)的產(chǎn)生,人類(lèi)可以操控的磁場(chǎng)范圍－低場(chǎng),

48、最低磁場(chǎng)：? 0 T ？,當(dāng) ? >> ?0 時(shí)， k? 1 ? B?0,,屏蔽,可能性,磁性材料球殼的屏蔽效果,相對(duì)磁導(dǎo)率 ? /?0,球殼內(nèi)磁場(chǎng)B/?0H (%),可能性,,磁場(chǎng)的產(chǎn)生,人類(lèi)可以操控的磁場(chǎng)范圍－低場(chǎng),最低磁場(chǎng)：? 0 T ？,補(bǔ)償、抵消,磁場(chǎng)的測(cè)量,,H0,H1,可能性,磁場(chǎng)的產(chǎn)生,人類(lèi)可以操控的磁場(chǎng)范圍－強(qiáng)場(chǎng),超強(qiáng)磁場(chǎng)： ? 102 T ～ 103 T ？,復(fù)合（Hybrid）強(qiáng)磁場(chǎng),經(jīng)濟(jì)性