作為導出單位的磁學單位通常由磁學量的定義方程式來確定。主要涉及的磁學概念有磁矩(包括由其生出的磁化強度、磁極化強度、比磁*度、比磁極化強度等)、磁感應強度、磁場強度(包括磁導率、磁化率等)和磁通等。
磁學單位量值的確定是靠有關量的基準裝置實現的,而復現磁學單位的實物稱為磁學量具。常用磁學量具有磁矩量具、磁通量具和標準測量線圈。
一、磁矩量具
磁矩量具分為兩大類型:永磁體和載流線圈。
(一)永磁體
永磁體一般以鈷鋼為材料,通常做成旋轉橢球或圓柱形,其磁矩量值范圍為0.1~100Am2,不確定度為0.1%~0.2%。
采用永磁體作磁矩量具時,體積小、不需要電源、使用方便;但是磁矩值不連續,而且磁矩值隨時間緩慢變化,受環境條件(溫度、外磁場及機械振動)影響較大。
(二)載流線圈
任意電流回路的磁矩為線圈內的電流與線圈總面積的乘積。即:
m = I KSW
式中:KSW——線圈的面積常數,也稱為線圈的磁矩常數。
KSW可根據線圈尺寸計算得到,也可由實驗方法確定。對于圓柱形線圈:
KSW = SW
式中:S——繞組的平均截面積;
W——繞組匝數。
采用載流線圈作磁矩量具,要求在線圈外部產生的磁場足夠均勻。由繞組尺寸計算線圈磁矩常數的不確定度優于1×10-4。
二、 磁場(磁感應強度)計量標準
(一)磁場基準
我國的磁場基準裝置實際上就是用于絕對測量電流的強、弱場法測量質子旋磁比γp的裝置,因此分為強磁場基準和弱磁場基準兩部分。它建立在基本物理常數及頻率測量的基礎上,因此也屬于量子基準。
強磁場基準由電磁鐵系統和磁天平系統組成。磁場由雙軛對稱型電磁鐵提供,磁場均勻性為1×10-6,采用核磁共振穩場儀可使磁場穩定度達到10-7量級。載流矩形線圈在磁場中受的力由特殊設計的磁天平系統來測量。我國強磁場基準的復現不確定度為1.6×10-6,磁場范圍為0.5~1T。
弱磁場基準采用線圈骨架為直徑300mm的石英管,在線圈中心點復現磁場單位的標準不確定度小于1×10-6,磁場范圍為0.05~1 mT。
(二)磁場標準
我國的弱磁場標準由三米線圈系統、零場檢測儀、穩流電源、電流測量裝置、電流測量裝置、地磁自動補償裝置、標準測場儀等幾部分組成
(三)(磁感應強度)量具
一切磁場現象的研究與應用均離不開磁場,產生磁場的物體被稱為磁場源。如果磁場(磁感應強度)的量值足夠準確,則稱為標準磁場;提供標準磁場的磁場源就稱為磁場(磁感應強度)量具。
磁場量具總是與測量儀器配套使用。它所產生的磁場必須有足夠的穩定性和均勻性,此外還應有相應的工作空間。
磁場(磁感應強度)量具同時也是磁化場(磁場強度)量具,主要有永磁體、磁場線圈和電磁鐵。不需要功率來維持其磁場的磁體稱為永磁體,它常用剩磁較大的一類材料制作,永磁體產生的磁場恒定,磁場穩定性好,攜帶和使用方便,但磁場均勻區不大。電磁鐵相當于一個帶有空氣間隙的鐵芯線圈,當線圈中通過電流時,鐵芯被融化,在氣隙中產生比空心線圈高數十倍的磁場,它是應用極廣的產生強磁場的裝置,電磁鐵一般用磁軛、鐵心、極頭和繞在鐵心上的線圈構成。磁場線圈是應用*泛的一種磁場量具,其中又以亥姆霍茲線圈和螺線管為最常見,線圈內部磁感應強度為:
B = KI
式中:I——線圈繞組中通過的電流;
K——線圈的磁場常數,即線圈繞組通過單位電流時產生的磁場,單位為T/A。
磁場量具的分類見表1-2-2。
表1-2-2 磁場量具的種類
名稱 | 磁場范圍 | 均勻區 | 穩定性 | |
永磁體 | 0.01~1T | 小 | 好 | |
電磁鐵 | 0.01~2T | 較小 | 取決于電源及溫升 | |
磁場線圈 | 亥姆霍茲線圈 | 10-9~10-1T | 大 | 取決于電源 |
螺線管 | 10-3~10-1T | 較大 | 取決于電源及溫升 | |
螺繞環 | 10-5~10-3T | 較大 | 取決于電源及溫升 | |
超導磁體 | 1~20T | 較小 | 好 |
三、 磁通計量標準
(一)磁通基準
通常計算互感作為磁通標準,以康貝爾線圈為最常見??地悹柧€圈是一種互感線圈,由一個多層繞組的次級線圈與一個分段繞制、同軸放置的單層螺旋形繞組的初級線圈所組成。我國磁通主基準線圈就是康貝爾線圈。
(二)磁通量具
磁通量具兩類:互感線圈和磁場線圈與測量線圈組合的磁通量具。
在直流(沖擊)條件下工作的互感線圈的磁通常數就是它的互感值。
即:Kφ=φ/I=M
在磁場常數為KB的磁場線圈中,同軸放置面積常數為KSW的測量線圈,則這種組合式磁通量具的磁通常數為:
Kφ=KBKSWcosα
式中,α——兩線圈軸線的夾角。
(三)標準測量線圈
標準測量線圈是線匝總面積一定的線圈,其面積常數KSW為每匝線圈的平均截面面積S和總匝數W的乘積:
KSW=SW
單層繞組的標準測量線圈的面積常數由線圈的幾何尺寸計算得到,多層繞組的標準測量線圈的面積常數往往由實驗確定。線圈面積常數的單位為m2。標準測量線圈用作磁場探測器,反映線圈內的平均磁感應強度,它有圓柱形、球形、長方形等多種形狀。形狀的選擇由被測磁場的強弱和形態來定。測量弱磁場時,需選用KSW大的線圈;測量不均勻磁場時,需選用體積小的線圈。