磁學(xué)計(jì)量單位的復(fù)現(xiàn)

作為導(dǎo)出單位的磁學(xué)單位通常由磁學(xué)量的定義方程式來(lái)確定。主要涉及的磁學(xué)概念有磁矩（包括由其生出的磁化強(qiáng)度、磁極化強(qiáng)度、比磁*度、比磁極化強(qiáng)度等）、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度（包括磁導(dǎo)率、磁化率等）和磁通等。

      磁學(xué)單位量值的確定是靠有關(guān)量的基準(zhǔn)裝置實(shí)現(xiàn)的，而復(fù)現(xiàn)磁學(xué)單位的實(shí)物稱(chēng)為磁學(xué)量具。常用磁學(xué)量具有磁矩量具、磁通量具和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量線(xiàn)圈。

一、磁矩量具

      磁矩量具分為兩大類(lèi)型：永磁體和載流線(xiàn)圈。

（一）永磁體

      永磁體一般以鈷鋼為材料，通常做成旋轉(zhuǎn)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(shí)，體積小、不需要電源、使用方便；但是磁矩值不連續(xù)，而且磁矩值隨時(shí)間緩慢變化，受環(huán)境條件（溫度、外磁場(chǎng)及機(jī)械振動(dòng)）影響較大。

（二）載流線(xiàn)圈

      任意電流回路的磁矩為線(xiàn)圈內(nèi)的電流與線(xiàn)圈總面積的乘積。即：

m = I KSW

      式中：KSW——線(xiàn)圈的面積常數(shù)，也稱(chēng)為線(xiàn)圈的磁矩常數(shù)。

      KSW可根據(jù)線(xiàn)圈尺寸計(jì)算得到，也可由實(shí)驗(yàn)方法確定。對(duì)于圓柱形線(xiàn)圈：

KSW  = SW

      式中：S——繞組的平均截面積；

               W——繞組匝數(shù)。

      采用載流線(xiàn)圈作磁矩量具，要求在線(xiàn)圈外部產(chǎn)生的磁場(chǎng)足夠均勻。由繞組尺寸計(jì)算線(xiàn)圈磁矩常數(shù)的不確定度優(yōu)于1×10-4。

二、 磁場(chǎng)（磁感應(yīng)強(qiáng)度）計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)

（一）磁場(chǎng)基準(zhǔn)

         我國(guó)的磁場(chǎng)基準(zhǔn)裝置實(shí)際上就是用于絕對(duì)測(cè)量電流的強(qiáng)、弱場(chǎng)法測(cè)量質(zhì)子旋磁比γp的裝置，因此分為強(qiáng)磁場(chǎng)基準(zhǔn)和弱磁場(chǎng)基準(zhǔn)兩部分。它建立在基本物理常數(shù)及頻率測(cè)量的基礎(chǔ)上，因此也屬于量子基準(zhǔn)。

         強(qiáng)磁場(chǎng)基準(zhǔn)由電磁鐵系統(tǒng)和磁天平系統(tǒng)組成。磁場(chǎng)由雙軛對(duì)稱(chēng)型電磁鐵提供，磁場(chǎng)均勻性為1×10-6，采用核磁共振穩(wěn)場(chǎng)儀可使磁場(chǎng)穩(wěn)定度達(dá)到10-7量級(jí)。載流矩形線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中受的力由特殊設(shè)計(jì)的磁天平系統(tǒng)來(lái)測(cè)量。我國(guó)強(qiáng)磁場(chǎng)基準(zhǔn)的復(fù)現(xiàn)不確定度為1.6×10-6，磁場(chǎng)范圍為0.5~1T。

         弱磁場(chǎng)基準(zhǔn)采用線(xiàn)圈骨架為直徑300mm的石英管，在線(xiàn)圈中心點(diǎn)復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)單位的標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于1×10-6，磁場(chǎng)范圍為0.05~1 mT。

（二）磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)

      我國(guó)的弱磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)由三米線(xiàn)圈系統(tǒng)、零場(chǎng)檢測(cè)儀、穩(wěn)流電源、電流測(cè)量裝置、電流測(cè)量裝置、地磁自動(dòng)補(bǔ)償裝置、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)場(chǎng)儀等幾部分組成

（三）（磁感應(yīng)強(qiáng)度）量具

        一切磁場(chǎng)現(xiàn)象的研究與應(yīng)用均離不開(kāi)磁場(chǎng)，產(chǎn)生磁場(chǎng)的物體被稱(chēng)為磁場(chǎng)源。如果磁場(chǎng)（磁感應(yīng)強(qiáng)度）的量值足夠準(zhǔn)確，則稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)；提供標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)源就稱(chēng)為磁場(chǎng)（磁感應(yīng)強(qiáng)度）量具。

        磁場(chǎng)量具總是與測(cè)量?jī)x器配套使用。它所產(chǎn)生的磁場(chǎng)必須有足夠的穩(wěn)定性和均勻性，此外還應(yīng)有相應(yīng)的工作空間。

    磁場(chǎng)（磁感應(yīng)強(qiáng)度）量具同時(shí)也是磁化場(chǎng)（磁場(chǎng)強(qiáng)度）量具，主要有永磁體、磁場(chǎng)線(xiàn)圈和電磁鐵。不需要功率來(lái)維持其磁場(chǎng)的磁體稱(chēng)為永磁體，它常用剩磁較大的一類(lèi)材料制作，永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)恒定，磁場(chǎng)穩(wěn)定性好，攜帶和使用方便，但磁場(chǎng)均勻區(qū)不大。電磁鐵相當(dāng)于一個(gè)帶有空氣間隙的鐵芯線(xiàn)圈，當(dāng)線(xiàn)圈中通過(guò)電流時(shí)，鐵芯被融化，在氣隙中產(chǎn)生比空心線(xiàn)圈高數(shù)十倍的磁場(chǎng)，它是應(yīng)用極廣的產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的裝置，電磁鐵一般用磁軛、鐵心、極頭和繞在鐵心上的線(xiàn)圈構(gòu)成。磁場(chǎng)線(xiàn)圈是應(yīng)用*泛的一種磁場(chǎng)量具，其中又以亥姆霍茲線(xiàn)圈和螺線(xiàn)管為最常見(jiàn)，線(xiàn)圈內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

B = KI

      式中：I——線(xiàn)圈繞組中通過(guò)的電流；

               K——線(xiàn)圈的磁場(chǎng)常數(shù)，即線(xiàn)圈繞組通過(guò)單位電流時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，單位為T/A。

      磁場(chǎng)量具的分類(lèi)見(jiàn)表1-2-2。

表1-2-2 磁場(chǎng)量具的種類(lèi)

三、 磁通計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)

（一）磁通基準(zhǔn)

      通常計(jì)算互感作為磁通標(biāo)準(zhǔn)，以康貝爾線(xiàn)圈為最常見(jiàn)。康貝爾線(xiàn)圈是一種互感線(xiàn)圈，由一個(gè)多層繞組的次級(jí)線(xiàn)圈與一個(gè)分段繞制、同軸放置的單層螺旋形繞組的初級(jí)線(xiàn)圈所組成。我國(guó)磁通主基準(zhǔn)線(xiàn)圈就是康貝爾線(xiàn)圈。

（二）磁通量具

      磁通量具兩類(lèi)：互感線(xiàn)圈和磁場(chǎng)線(xiàn)圈與測(cè)量線(xiàn)圈組合的磁通量具。

      在直流（沖擊）條件下工作的互感線(xiàn)圈的磁通常數(shù)就是它的互感值。

      即：Kφ=φ/I=M

      在磁場(chǎng)常數(shù)為KB的磁場(chǎng)線(xiàn)圈中，同軸放置面積常數(shù)為KSW的測(cè)量線(xiàn)圈，則這種組合式磁通量具的磁通常數(shù)為：

      Kφ=KBKSWcosα

      式中，α——兩線(xiàn)圈軸線(xiàn)的夾角。

（三）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量線(xiàn)圈

      標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量線(xiàn)圈是線(xiàn)匝總面積一定的線(xiàn)圈，其面積常數(shù)KSW為每匝線(xiàn)圈的平均截面面積S和總匝數(shù)W的乘積：

      KSW=SW

      單層繞組的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量線(xiàn)圈的面積常數(shù)由線(xiàn)圈的幾何尺寸計(jì)算得到，多層繞組的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量線(xiàn)圈的面積常數(shù)往往由實(shí)驗(yàn)確定。線(xiàn)圈面積常數(shù)的單位為m2。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量線(xiàn)圈用作磁場(chǎng)探測(cè)器，反映線(xiàn)圈內(nèi)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度，它有圓柱形、球形、長(zhǎng)方形等多種形狀。形狀的選擇由被測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和形態(tài)來(lái)定。測(cè)量弱磁場(chǎng)時(shí)，需選用KSW大的線(xiàn)圈；測(cè)量不均勻磁場(chǎng)時(shí)，需選用體積小的線(xiàn)圈。