磁場測量
磁場測量主要利用磁測量儀器進行。按照被測磁場的性質,磁場測量分為恆定磁場測量和變化磁場測量。恆定磁場測量 對於不隨時間而變化的直流磁場的測量。常用的測量儀器有以下7種。
①力矩磁強計:簡稱磁強計。利用磁場的力效應測量磁場強度或材料的磁化強度。
②磁通計和衝擊檢流計(見檢流計):用於衝擊法(見軟磁材料測量)中測量磁通及磁通密度。測量時,須人為地使檢測線圈中的磁通發生變化。
③鏇轉線圈磁強計:在被測的恆定磁場中,放置一個小檢測線圈,並令其作勻速鏇轉。通過測量線圈的電動勢,可計算出磁通密度或磁場強度。測量範圍為0.1毫特到10特。誤差為0.1~1%。也可將檢測線圈突然翻轉或快速移到無場區,按衝擊法原理測量磁通密度。
④磁通門磁強計:由高磁導率軟磁材料製成的鐵心同時受交變及恆定兩種磁場作用,由於磁化曲線的非線性,以及鐵心工作在曲線的非對稱區,使得纏繞在鐵心上的檢測線圈感生的電壓中含有偶次諧波分量,特別是二次諧波。此諧波電壓與恆定磁場強度成比例。通過測量檢測線圈的諧波電壓,計算出磁場強度。磁通門磁強計的原理結構如圖所示。探頭中的兩個鐵心用高磁導率軟磁合金製成。每一鐵心上各繞有交流勵磁線圈,而檢測線圈繞在兩鐵心上。兩交流勵磁線圈串聯後由振盪器供電,在兩鐵心中產生的磁場強度為H∼,但方向相反。這樣,檢測線圈中感生的基波及奇次諧波電壓相互抵消。當探頭處在強度為H0的被測恆定磁場中時,兩鐵心分別受到H0+H∼和H0-H∼即交變與恆定磁場的疊加作用,從而在檢測線圈中產生偶次諧波電壓,經選頻放大和同步檢波環節,取其二次諧波電壓,其讀數與被測的恆定磁場強度H0成比例。磁通門磁強計的靈敏度很高,分辨力達100皮特。主要用於測量弱磁場。廣泛用於地質、海洋和空間技術中。20世紀60~70年代研製成的光泵磁強計和利用超導量子干涉器件 (squid)製成的超導量子磁強計,靈敏度更高,分辨力分別達到10-7和10-9安/米。
⑤霍耳效應磁強計:半導體矩形薄片放置在與薄片平面垂直的磁場(磁通密度為B)中,若在薄片的相對兩端面間通以直流電流I,則在另兩端面的相應點間產生電動勢E(即霍耳效應)。當I 為常數時,E與B 有比例關係,比例係數與薄片的寬度b,長度l和厚度d 以及所用材料有關。材料的這種特性又稱為磁敏特性。利用霍耳效應製成的磁強計,可測量1微特到10特範圍內的磁通密度值。誤差為0.1~5%。霍耳片能做得薄而小,可伸入狹窄間隙中進行測量,也可用以測量非均勻磁場。有磁敏特性的器件,除霍耳片外還有鉍螺線、磁敏二極體等。
⑥核磁共振磁強計:原子核的磁矩在磁通密度B 的作用下,將圍繞磁場方向鏇進,其鏇進頻率ƒ0=γB(γ為鏇磁比,對於一定的物質,它是一個常數),若在垂直於B的方向施加一小交變磁場,當其頻率與ƒ0相等時,將產生共振吸收現象,即核磁共振。由共振頻率可準確地計算出磁通密度或磁場強度。這種磁強計的測量範圍為 0.1毫特到10特。準確度很高,誤差低於10-4~10-5,常用以提供標準磁場及作為校驗標準。
⑦磁位計:用於測量空間a、b兩點間的磁位差,如系均勻磁場,可折算出該處的磁場強度。磁位計也可用來測量材料內部的磁場強度。由於磁性材料界面處的磁場強度切線分量相等,因此在沿材料表面空間處用磁位計測得的磁場強度,就是材料該處內部的磁場強度切線分量。磁位計的結構是將細絕緣導線均勻繞在非磁性軟帶或硬片上,前者稱軟磁位計;後者稱硬磁位計。測量儀表採用衝擊檢流計或磁通計。對於恆定磁場,測量過程中須使磁位計所鏈合的磁通發生變化。如所測為均勻磁場,則由磁位差折算出磁場強度。磁位計可在標準均勻磁場中進行標定,按磁場強度值刻度。
變化磁場測量 對於隨時間而變化的交變磁場的測量。通常利用電磁感應效應將磁場的磁學量轉變為電動勢來測量。以周期性單調上升與下降的交變磁場為例,測量磁通密度時,只需將檢測線圈接到平均值電壓表上,由電壓表的讀數尃可計算出最大磁通密度Bm ,,ƒ為頻率,S為鐵心有效截面,N2為測量線圈匝數。利用霍耳片可直接測磁通密度,如保持I 為直流,則輸出電動勢E 的波形與磁通密度的波形相同。由E 可計算出磁通密度值。測量磁場強度時,若用平均值電壓表作為磁位計的測量儀表,則可根據電壓表讀數折算出磁場強度的最大值,也可在均勻標準磁場中進行標定。