了得網研究生_磁測量原理與技術

編輯推薦

磁測量是物質磁性及磁場的測量。磁場與磁性物質是現代電磁學、電子技術的重要基礎。隨著近些年來磁性物理與自旋電子學的快速發展，關於基本磁場理論與技術的教學在高校中變得越來越重要。《磁測量原理與技術》的作者曾在清華大學電機繫開設了磁測量專業選修課程，教學效果良好。經過教學實踐，積累了較豐富的理論教案和實驗方案。同時也注意到該方向的繫統性的專業教材短缺的問題，特編輯《磁測量原理與技術》一書。《磁測量原理與技術》首先介紹了現代工業磁測量中用到的基本概念、理論、技術與方法，接著詳細介紹了10個可在實驗室完成的教學實驗。通過學習，讀者可以全面了解磁測量原理和方法，逐步揭開磁場的神秘面紗。《磁測量原理與技術》可作為磁測量方向的專業教材，可被全國各高校的電氣工程、電子技術、材料物理等方向選用,同時也是電氣相關工業領域重要的參考書。

內容簡介

本書全面介紹了磁測量的原理與技術。全書分理論和實驗兩大部分，其中理論部分共6章。第1章是磁測量概論，介紹了磁測量的基本概念、基本磁學量、電磁場的基本定律、磁介質的性能方程、鐵磁物質的磁特性、磁測量的基準和基本方法等內容；第2章主要介紹了磁場的測量，包括常見的磁場激勵源和磁場測量的原理、方法與技術；第3章講述磁性材料本征磁特性的測量，介紹了磁性材料飽和磁化強度的測量、磁各向異性常數的測量、磁致伸縮繫數的測量、居裡溫度的測量、旋轉樣品測量以及應用鐵磁共振技術測量磁參數；第4章講述磁性材料靜態磁特性的測量，主要介紹了衝擊法測量靜態磁特性；第5章介紹了動態磁特性的測量；第6章對磁測量*進展與前沿技術作了簡要介紹。實驗部分介紹了10個與磁測量相關的實驗，每個實驗都詳細介紹了實驗目的、實驗內容與要求、實驗儀器、實驗原理和實驗步驟等，方便在教學實踐中使用。
本書可作為磁測量方向的專業教材，供高等院校電氣工程、電子技術、材料物理等專業的學生選用，也可供從事磁場與磁測量相關工作的技術人員參考。

部分理論

第1章磁測量概論

1．1基本概念及基本磁學量

1．1．1測量的術語與定義

1．1．2磁測量概述

1．1．3基本磁學量

1．1．4磁單位
部分理論

第1章磁測量概論

1．1基本概念及基本磁學量

1．1．1測量的術語與定義

1．1．2磁測量概述

1．1．3基本磁學量

1．1．4磁單位

1．2磁場的基本定律和磁介質的性能方程

1．2．1電場的基本定理

1．2．2磁場的基本定理

1．2．3電磁感應定律

1．2．4電磁場的邊界條件

1．2．5電磁場的能量

1．2．6磁介質的性能方程

1．3鐵磁物質的磁特性

1．3．1物質按照磁性的分類

1.3.2磁性材料的分類

1．3．3鐵磁物質的磁化特性和磁性參量

1．3．4物體的磁化

1.3.5居裡溫度

1.3.6鐵磁物質中的磁疇排列

1．4磁測量的基準和基本方法

1．4．1磁量具

1．4．2磁測量的基本方法
第2章磁場的產生與測量方法

2．1磁場的產生

2．1．1螺線管

2．1．2螺繞環

2．1．3亥姆霍茲線圈

2．1．4具有尾端補償的線圈

2．1．5永磁體

2．1．6電磁鐵

2．1．7大功率直流螺線管

2．1．8超導磁體

2．1．9脈衝強磁場

2．件磁場測量原理與特性

2．2．1霍爾效應

2．2．2霍爾效應的副效應

2．2．3副效應引起的繫統誤差的消除

2.2.4霍爾傳感器

2.3電磁感應法

2.3.1電磁感應磁場測量原理

2.3.2電磁感應磁場測量方法

2.4磁電阻效應法

2.4.1半導件

2.4.2磁敏二極管

2．4．3強磁性金屬薄件

2．5磁共振法

2．5．1核磁共振法

2．5．2電子順磁共振法

2．5．3光泵共振法

2．6弱連接超導效應法

2．6．1約瑟夫遜效應

2．6．2外磁場對臨界電流的影響

2．6．3超導量子磁強計

2．7磁光法

2．7．1法拉第磁光效應傳感器

2．7．2磁致伸縮型傳感器

2．7．3力學型傳感器

2．8非均勻磁場的測量
第3章磁性材料本征磁特性的測量

3．1飽和磁化強度的測量

3．1．1衝擊電流計法

3．1．2磁稱法

3．2磁各向異性常數的測量

3．2．1磁各向異性

3．2．2由單晶磁化曲線確定磁晶各向異性常數

3．2．3由多晶磁化曲線確定磁晶各向異性常數

3．2．4轉矩磁強計

3．2．5晶奇點檢測法

3．3磁致伸縮繫數的測量

3．3．1磁致伸縮繫數

3．3．2光學杠杆法

3．3．3干涉儀法

3．3．4形變電阻法

3．3．5三端電容法

3．4旋轉樣品的測量

3．4．1測量原理

3．4．2應用旋轉樣品磁強計的磁性測量

3．5居裡溫度或抵消溫度的測量

3．6應用鐵磁共振技術測量磁參數

3．6．1鐵磁共振原理

3．6．2飽和磁化強度的測定

3．6．3磁晶各向異性等效場的測定

3．6．4磁致伸縮常數的測量
第4章磁性材料靜態磁特性測量

4．1磁性材料在直流磁場中的靜態磁特性

4．2樣品的磁化與退磁

4.2.1樣品的磁化

4．2．2樣品的退磁

4．3樣品中磁場和磁通密度的測量

4．3．1內磁場的測量

4．3．2磁通密度的測量

4．4用衝擊法測量靜態磁特性

4．4．1衝擊檢流計工作原理

4．4．2衝擊檢流計的使用

4．4．3用衝擊檢流計測量磁通

4．4．4用衝擊法測量靜態磁特性
第5章磁性材料動態磁特性測量

5．1磁性材料在交流磁場中的動態磁特性

5．1．1動態磁特性與靜態磁特性的比較

5．1．2磁化場波形對磁特性的影響

5．2鐵損的測量

5．2．1概述

5．2．2功率表法

5．2．3電橋法

5．2．4硅鋼帶損耗的連續自動測量
第6章磁測量進展與前沿技術

6．1瞬態磁場測量

6．1．1電磁感應法

6．1．2霍爾效應法

6．1．3磁光法

6．2磁阻效應的研究與應用

6．2．1巨磁阻效應

6．2．2超巨磁阻效應

6．2．3隧道磁阻效應傳感器

6．2．4非均勻性導致的磁阻效應

6．3弱磁測量

6．3．1磁通門磁力儀

6．3．2質子旋進(核旋)磁力儀

6．3．3光泵磁力儀

6．3．4超導弱磁測量儀器

6．4準靜態磁場研究及應用

6．件與鐵氧體材料標準

第二部分實驗

實驗1霍爾效應及其應用
實驗2用衝擊法測定樣品的靜態磁特性參數
實驗3電磁材料動態磁化參數測量
實驗4功率表法磁損耗測量
實驗5交流橋測量居裡溫度
實驗6電磁屏蔽測試
實驗7永磁材料測量與失磁試驗
實驗8電磁環境測量
實驗9輸電線路電磁干擾測試
實驗10環探頭磁場測量及其應用
附錄常用電磁學單位
參考文獻

前言

磁場是一種看不見、摸不著的物質，它不是由原子或分子組成的，但磁場是客觀存在的，就像山川河流一樣客觀而真實。運動電荷、磁體或變化電場周圍空間都存在磁場。磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的，所以兩磁體不用接觸就能發生作用。人類在幾千年前就認識到了磁場與磁性物質，但對磁的研究卻是一個歷久彌新的問題，例如新型磁性材料、自旋電子學、微弱磁信號測量、超導磁物理等。
磁場與電場一樣，是現代電磁學、電子技術的重要基礎。學生在學習過程中往往對電場的基本定律、基本分析方法、常用儀器設備、導電介質材料等了解得比較透徹，而對磁場的相關知識卻比較生疏。近年來隨著磁性物理與信息科學的快速發展，關於磁場的基本理論與技術的教學在高校中變得越來越重要。本書的作者曾在清華大學電機繫開設了磁測量專業選修課程，取得了良好的教學效果，積累了較豐富的理論教案和實驗方案，同時也注意到該方向缺乏繫統性的專業教材，特編輯本書。本書作為磁測量方向的專業教材，可被全國各高校的電氣工程、電子技術、材料物理等方向的學生選用，同時也可作為電氣相關工業領域的參考書。磁場是一種看不見、摸不著的物質，它不是由原子或分子組成的，但磁場是客觀存在的，就像山川河流一樣客觀而真實。運動電荷、磁體或變化電場周圍空間都存在磁場。磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的，所以兩磁體不用接觸就能發生作用。人類在幾千年前就認識到了磁場與磁性物質，但對磁的研究卻是一個歷久彌新的問題，例如新型磁性材料、自旋電子學、微弱磁信號測量、超導磁物理等。
磁場與電場一樣，是現代電磁學、電子技術的重要基礎。學生在學習過程中往往對電場的基本定律、基本分析方法、常用儀器設備、導電介質材料等了解得比較透徹，而對磁場的相關知識卻比較生疏。近年來隨著磁性物理與信息科學的快速發展，關於磁場的基本理論與技術的教學在高校中變得越來越重要。本書的作者曾在清華大學電機繫開設了磁測量專業選修課程，取得了良好的教學效果，積累了較豐富的理論教案和實驗方案，同時也注意到該方向缺乏繫統性的專業教材，特編輯本書。本書作為磁測量方向的專業教材，可被全國各高校的電氣工程、電子技術、材料物理等方向的學生選用，同時也可作為電氣相關工業領域的參考書。
本書分理論和實驗兩部分。理論部分綜合地介紹了磁測量的基本概念、原理和方法，以及磁測量的進展與前沿技術。第1章是磁測量概論，介紹了磁測量的基本概念、基本磁學量、電磁場的基本定律、磁介質的性能方程、鐵磁物質的磁特性、磁測量的基準和基本方法等。第2章主要介紹了磁場的產生與測量，重點介紹件磁場測量、電磁感應法、磁電阻效應法、磁共振法、弱連接超導效應法和磁光法的原理與特性。第3章講述了磁性材料本征磁特性的測量，介紹了磁性材料飽和磁化強度的測量、磁各向異性常數的測量、磁致伸縮繫數的測量、居裡溫度的測量、旋轉樣品測量以及應用鐵磁共振技術測量磁參數。第4章講述磁性材料靜態磁特性的測量，主要介紹了衝擊法測量靜態磁特性。第5章介紹了動態磁特性的測量。第6章對磁測量進展與前沿技術作了簡要介紹。實驗部分介紹了10個與磁測量相關的實驗，每個實驗都詳細介紹了實驗目的、實驗內容與要求、實驗儀器、實驗原理和實驗步驟等，方便在教學實踐中使用。
附錄部分是常用電磁學單位對照表。參考文獻包括了編著本書過程中使用到的參考資料和提供給讀者的指導性閱讀資料。由於書中涉及的知識面廣泛，本書在編著過程中引用了許多文獻和互聯網上的資料。
希望本書的出版對於對磁性物理和磁測量感興趣的讀者有所裨益。對於廣大相關專業的學生，本書是一本相對全面、新穎的教材或參考書；對於從事磁場與磁測量相關工作的電氣工程師們，本書是一本方便、實用的技術指導書；對於非相關專業的讀者而言，本書是一本準確、易懂的大眾科普讀物。

在本書的編著過程中，清華大學電機繫趙偉教授、黃松嶺教授和袁建生教授給予了專業性的指導意見；上海科技大學王美玲、陶鈺、汪洋等同志參與了本書的部分編輯工作；作者在撰寫本書的日子裡，家人給予了支持；此外，清華大學出版社積極促成了本書的出版，作者特此一並表示感謝。
本書由上海科技大學重點教材建設專項資助出版，並作為信息學院磁測量相關課程的教材/教參，對此，作者特別致謝。
本書的內容涉及面較廣，在編著過程中，作者不斷修改、補充相關的知識和內容，但由於水平有限，書中難免有錯誤和不足之處，希望廣大讀者不吝批評指正。
編者2018年5月於上海

在線試讀

部分理論

第1章

磁測量概論

1.1基本概念及基本磁學量
1.1.1測量的術語與定義
測量是指人們借助專門的技術工具，采用實驗方法找出物理量的數值的過程，它是人們認識事物時不可缺少的過程。從原理上，測量可分為直接測量和間接測量，前者是直接從實驗數據中找出物理量未知數的測量，而後者則是根據未知量和直接測量的量之間的已知關繫，找出未知量。磁學量的測量幾乎都屬於間接測量。從方法上，測量又可分為測量和相對測量，在磁測量技術中，這兩種方法都經常使用。測量是基於一個或數個基本量的直接測量或利用物理常數值所進行的測量；相對測量則是為了得到被測量的量與作為標準的同名量之間的比例關繫的一種測量。
測量技術所追求的目標是，用實驗的方法找出與物理量的真值盡可能接近的測量值。由於人們對物理現像認識的局限性和技術上的原因，真值總是不可能得到的。測量結果與被測量真值之間的偏差，稱為測量誤差。誤差自始至終存在於一切科學實驗的過程中，這就是所謂的誤差公理。
對於一種測量，我們常常使用精確度(或精密度)、準確度和正確度來表示它的好壞程度，這是三個不同的概念。
測量的精密度：反映隨機誤差大小的程度，是使用儀器測量所得到的可靠的小值，與儀器的小讀數有關。
測量的準確度：反映隨機誤差與繫統誤差合成的大小程度，指的是使用某種儀器作多次測量所得平均結果的可靠程度，即與真值的符合程度。一般可用相對誤差的倒數來表示。
測量的正確度：反映繫統誤差大小的程度。不能排除繫統誤差的測量，便無正確度可言。部分理論

第1章

磁測量概論

1.1基本概念及基本磁學量
1.1.1測量的術語與定義
測量是指人們借助專門的技術工具，采用實驗方法找出物理量的數值的過程，它是人們認識事物時不可缺少的過程。從原理上，測量可分為直接測量和間接測量，前者是直接從實驗數據中找出物理量未知數的測量，而後者則是根據未知量和直接測量的量之間的已知關繫，找出未知量。磁學量的測量幾乎都屬於間接測量。從方法上，測量又可分為測量和相對測量，在磁測量技術中，這兩種方法都經常使用。測量是基於一個或數個基本量的直接測量或利用物理常數值所進行的測量；相對測量則是為了得到被測量的量與作為標準的同名量之間的比例關繫的一種測量。
測量技術所追求的目標是，用實驗的方法找出與物理量的真值盡可能接近的測量值。由於人們對物理現像認識的局限性和技術上的原因，真值總是不可能得到的。測量結果與被測量真值之間的偏差，稱為測量誤差。誤差自始至終存在於一切科學實驗的過程中，這就是所謂的誤差公理。
對於一種測量，我們常常使用精確度(或精密度)、準確度和正確度來表示它的好壞程度，這是三個不同的概念。
測量的精密度：反映隨機誤差大小的程度，是使用儀器測量所得到的可靠的小值，與儀器的小讀數有關。
測量的準確度：反映隨機誤差與繫統誤差合成的大小程度，指的是使用某種儀器作多次測量所得平均結果的可靠程度，即與真值的符合程度。一般可用相對誤差的倒數來表示。
測量的正確度：反映繫統誤差大小的程度。不能排除繫統誤差的測量，便無正確度可言。
精密度高的測量，正確度不一定高，兩者並不一致。而準確度高的測量則精密度和正確度都高，所以我們應以準確度的高低來衡量一個儀器、一個測量方法的質量。具有同樣精密度的兩臺儀器，它們的準確度不一定相同；精密度高的儀器，準確度不一定高。因此任何一臺儀器在測量之前必須用標準量值進行校準。

一般而言，測量包括以下4個要素：
(1) 測量的客體
測量的客體即測量對像，主要包括長度、面積、形狀、高程、角度、時間、電流、磁場以及機械作用力等。由於測量對像種類繁多，因此對於它們的特性、被測參數的定義以及標準等都必須加以研究和熟悉，以便進行測量。
(2) 計量單位
《中華人民共和國計量法》第三條中規定： “國際單位制計量單位和國家選定的其他計量單位，為國家法定計量單位。”例如長度的單位為米(m)，質量單位是千克(kg)，電流單位是安培(A)，等等。
(3) 測量方法
測量方法指在進行測量時所用的一組操作邏輯次序。
(4) 測量結果
測量結果指測量到的反映真實值的數據。由於任何測量過程總不可避免地會出現測量誤差，所以測量結果都是對真實值的某種近似。
1.1.2磁測量概述
磁學是研究各種物質的磁性起源並掌握其中的磁性物理規律的一門學科，在社會的各個方面擁有廣泛應用。磁學是一門既古老又年輕的學科。說它古老，是因為關於磁現像的發現和應用的歷史悠久；說它年輕，是因為磁的應用目前越來越廣泛，已形成了許多與磁學有關的邊緣學科，例如磁流體力學、原子核磁學、基本粒子磁學、磁化學、地球磁學、天體磁學、生物磁學、自旋電子學等。磁學基礎研究與應用的需求相互促進，在國防和國民經濟中起著重要作用。
磁測量是建立在電磁理論和電工技術基礎上的一門技術性學科。磁測量的方法也與傳統的各種測量方法有顯著不同，為了獲得準確的測量結果，不僅要了解常見的測量儀器、測量方法，還要對測量的物理過程有深刻的認識。在研究磁測量技術之前，必須掌握磁學的基本知識、基本規律及物質的磁性等內容。

磁測量包括對空間磁參量的測量和對磁性材料性質的測量（即磁性測量）。空間磁參量測量的主要對像是空間磁場的磁通量Φ、磁場強度H、磁通密度(又稱磁感應強度)B等，在均勻各向同性介質中，B和H有線性關繫。
磁性測量的主要任務是揭示材料在外磁場作用下所表現出的宏觀磁特性。測量對像除了H、B外，還包括磁性材料在不同激磁情況下的磁導率和不同頻率下的損耗等。它們常是設計和制造電機、電器、儀表以及自動控制和電子通信等領域所用磁性原件的重要依據。在磁性材料中，B和H間的關繫比較復雜，線性關繫和單值關繫不復存在。
在工業和科研測試中，磁測量所依據的原理主要有：
（1）磁場間的機械力效應(如磁強計)。
（2）電磁感應定律。
（3）物質的磁效應，如磁電阻效應、核磁諧振、磁光效應(法拉第效應)、半導體對磁場的敏感效應等。
1.1.3基本磁學量
基本磁學量是表征某一空間或物體內部磁性現像的基本量值。
電流之間或運動電荷之間的相互作用是磁現像的物理基礎，例如電流或運動電荷可以在其周圍空間裡產生磁場。從廣義的角度來說，可以將產生磁場的“源”都稱為磁體。從這種概念出發，磁體既可以是任何電流回路，也可以是原子中帶電粒子的軌道運動或自旋運動，或者是它們的任意組合。磁體的小單位是磁偶極子，它就是一個可以用無限小的電流回路來代替的小磁體。如果把觀察點移到距離遠大於磁體尺寸的遠源區，對該區域所有點上的磁場而言，此磁體就是一個可以用平面電流回路來代替的磁偶極子。
1. 磁感應強度B
在電學中，靜止電荷之間的相互作用力是通過電場來傳遞的，而電場的基本特征之一，是它能對任何置於其中的電荷施加作用力。同樣，磁極與磁極、磁極與電流、電流與電流之間也有力的相互作用。為表征這些相互作用，我們引用物質存在的另一種形態——磁場。也就是說，磁極和電流周圍空間存在磁場，磁場的基本特征之一，是它對於置於其中的磁極或電流能施加作用力。
為了定量地描述磁場，我們引入一個基本磁學量——磁感應強度B。根據安培分子環流假說：組成磁鐵（磁分子）是環形電流。這些分子環流定向地排列起來，在宏觀上就顯示出北（N）極、南（S）極。這樣看來，無論是導線中的電流還是磁鐵，它們的本源都是電荷的運動。一切磁力現像都歸結為運動著的電荷（即電流）之間的相互作用，其相互關繫由安培定律表示為
dF=Idl×B(111)
式中，Idl； B為除Idl以外其在dl處所產生的總磁感應強度矢量； dF在磁場中受的力。由上式可見，置於磁場中某處或運動電荷所受的力，的取向有關。當Idl與B平行時，受力為零；當Idl與B正交時，受力。

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