磁學(xué)計量單位的復(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(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，體積小、不需要電源、使用方便；但是磁矩值不連續(xù)，而且磁矩值隨時間緩慢變化，受環(huán)境條件（溫度、外磁場及機(jī)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(nèi)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(shù)，也稱為線圈的磁矩常數(shù)。

      KSW可根據(jù)線圈尺寸計算得到，也可由實(shí)驗(yàn)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(shù)。

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

二、 磁場（磁感應(yīng)強(qiáng)度）計量標(biāo)準(zhǔn)

（一）磁場基準(zhǔn)

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

      強(qiáng)磁場基準(zhǔn)由電磁鐵系統(tǒng)和磁天平系統(tǒng)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(wěn)場儀可使磁場穩(wěn)定度達(dá)到10-7量級。載流矩形線圈在磁場中受的力由特殊設(shè)計的磁天平系統(tǒng)來測量。我國強(qiáng)磁場基準(zhǔn)的復(fù)現(xiàn)不確定度為1.6×10-6，磁場范圍為0.5~1T。

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

（二）磁場標(biāo)準(zhǔn)

      我國的弱磁場標(biāo)準(zhǔn)由三米線圈系統(tǒng)、零場檢測儀、穩(wěn)流電源、電流測量裝置、電流測量裝置、地磁自動補(bǔ)償裝置、標(biāo)準(zhǔn)測場儀等幾部分組成

（三）（磁感應(yīng)強(qiáng)度）量具

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

      磁場量具總是與測量儀器配套使用。它所產(chǎn)生的磁場必須有足夠的穩(wěn)定性和均勻性，此外還應(yīng)有相應(yīng)的工作空間。

磁場（磁感應(yīng)強(qiáng)度）量具同時也是磁化場（磁場強(qiáng)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(chǎn)生的磁場恒定，磁場穩(wěn)定性好，攜帶和使用方便，但磁場均勻區(qū)不大。電磁鐵相當(dāng)于一個帶有空氣間隙的鐵芯線圈，當(dāng)線圈中通過電流時，鐵芯被融化，在氣隙中產(chǎn)生比空心線圈高數(shù)十倍的磁場，它是應(yīng)用極廣的產(chǎn)生強(qiáng)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(gòu)成。磁場線圈是應(yīng)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(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)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(shù)，即線圈繞組通過單位電流時產(chǎn)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

三、 磁通計量標(biāo)準(zhǔn)

（一）磁通基準(zhǔn)

      通常計算互感作為磁通標(biāo)準(zhǔn)，以康貝爾線圈為最常見。康貝爾線圈是一種互感線圈，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(zhǔn)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(shù)就是它的互感值。

      即：Kφ=φ/I=M

      在磁場常數(shù)為KB的磁場線圈中，同軸放置面積常數(shù)為KSW的測量線圈，則這種組合式磁通量具的磁通常數(shù)為：

      Kφ=KBKSWcosα

      式中，α——兩線圈軸線的夾角。

（三）標(biāo)準(zhǔn)測量線圈

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

      KSW=SW

      單層繞組的標(biāo)準(zhǔn)測量線圈的面積常數(shù)由線圈的幾何尺寸計算得到，多層繞組的標(biāo)準(zhǔn)測量線圈的面積常數(shù)往往由實(shí)驗(yàn)確定。線圈面積常數(shù)的單位為m2。標(biāo)準(zhǔn)測量線圈用作磁場探測器，反映線圈內(nèi)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)弱和形態(tài)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。