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中国科学院物理研究所  通用 实验技术公共课程

中国科学院物理研究所  通用 实验技术公共课程. 第一讲：磁性测量的基础. 《 磁性测量 》. 赵同云 磁学国家重点实验室. 2014年10月1日. 声 明. 本讲稿中引用的图、表、数据全部取自公开发表的书籍、文献、论文，而且仅为教学使用， 任何人不得将其用于商业目的 。. 目 录. 磁性物理 电磁学单位制 磁路（ 退磁效应及其影响 ） 镜像效应及其影响 误差分析与测量不确定度的评定 样品的磁中性化和安装 标准的使用. 电磁学单位制 几个故事 （计量单位漫谈） 没有单位，就 不可能 比较量值. 单位和单位制的意义.

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中国科学院物理研究所  通用 实验技术公共课程

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  1. 中国科学院物理研究所  通用实验技术公共课程 第一讲：磁性测量的基础 《磁性测量》 赵同云 磁学国家重点实验室 2014年10月1日

  2. 声 明 本讲稿中引用的图、表、数据全部取自公开发表的书籍、文献、论文，而且仅为教学使用，任何人不得将其用于商业目的。

  3. 目 录 • 磁性物理 • 电磁学单位制 • 磁路（退磁效应及其影响） • 镜像效应及其影响 • 误差分析与测量不确定度的评定 • 样品的磁中性化和安装 • 标准的使用

  4. 电磁学单位制几个故事（计量单位漫谈）没有单位，就 不可能 比较量值

  5. 单位和单位制的意义 1、习惯 路程：步行大约5分钟 / 约500米 2、约定 光在真空中于1/299 792 458秒的时间间隔内所经过的距离 3、制度 “一法度衡石丈尺，车同轨，书同文。” 《史记·秦始皇本纪》 4、科学 合理性、逻辑性（自洽）、实用性、方便性（简单）

  6. 故事：计量单位 古典阶段：身体 • 权势人物 英寸 inch （in＝2.54 cm）（荷兰语中inch 为大拇指） 10世纪：英王埃德加大拇指的第一个指节的长度。 14世纪：爱德华二世：三个大麦粒的总长度。 英尺 foot（ft＝12 inch＝0.3048 m） 9世纪：英国查理曼大帝的脚板的长度。 16世纪：德国：16个人的左脚板的平均长度。 码 yard（yd＝3 ft＝91.44 cm） 12世纪：英国亨利一世的鼻尖到前伸手臂时中指尖的距离。 丈 ＝ 古代成年男子的身高，大丈夫。 尺 ＝……

  7. 故事：计量单位 现代阶段：量子 迄今为止，国际上已正式确立的量子基准有： • 量子（自然）基准（标准）： 时间单位－秒基准： 微波段铯原子钟：Cs－133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所 对应的辐射的9 192 631 770个周期的持续时间。 光频原子喷泉：激光冷却与原子囚禁 长度单位－米基准：光在真空中1/299 792 458 s的时间间隔内所经过的距离。 电压单位－伏特基准： Josephson常数：KJ＝483 597.9 (1  0.4  10-6) GHz/V 电阻单位－欧姆基准： von Klitzing常数： RK＝25 812.807 (1  0.2  10-6) 

  8. 小事故：计量单位 • 英国gallon与美国gallon： U.K. gallon = 4.546 09 L U.S. gallon = 3.785 41 L Boeing 757－300 43 400 L = 9 547 gallon (U.K.) = 11 466 gallon (U.S.A.) litre, liter (US) metre, meter (US) gram, gramme (UK)

  9. 大事故：计量单位 • 美国火星气候探测器（1998年）： 1999年9月23日：1998年12月美国发射的火星气候探测器与地面失去联系。 火星大气层的最小安全距离：约85 公里～100 公里，预定140 公里～150 公里 实际上，探测器距火星表面最近仅57 公里。 探测器有可能在火星的大气中被“火葬”， 甚至坠毁在火星表面上 低级错误 1999年9月30日的调查报告： 造成飞行高度太低的原因竟然是公制和英制的转换问题。 洛克希德·马丁公司：公制单位（牛·秒） 美国航宇局（NASA）喷推实验室：英制单位（磅·秒）？ 这样计算出的冲量值只是实际所需值的22%。 推力器校定表的作用是把遥测到的推力器点火工作次数转换成提供给探测器的冲量，以消除因推力器点火工作造成的弹道计算中的剩余误差。

  10. 相对 单位 电压、电量、电容、电流 磁场强度、磁感应强度、磁通 无统一单位制 高斯－韦伯绝对单位：mm-mg-s Ohmad单位制 CGS单位制 绝对 单位 实用单位制 B. A. 单位制 麦克斯韦“象限制” MKSA单位制 MKS单位制 SI单位制 电磁学单位制的历史 以1832年C. F. Gauss引入绝对单位（力学单位）为分界

  11. 电磁学单位制的历史 1950年7月IEC大会采用Heaviside的有理化单位制，引入Ampere作为第四个基本单位（电流），即MKSA单位制。 • MKSA单位制的采用 • SI单位制（新的国际单位制）的建立 1954年第十届国际计量大会 (CGPM)采用有理化单位制；1960年10月的第十一届CGPM ，引入Kelvin（热力学温度）和candela（发光强度）；1971年引入Mole（物质的量），至此新的国际单位制全部建立起来，为了与1893年的第一个国际单位制相区别，用SI来表示现在的国际单位制。

  12. 参考读物 • 《计量测试技术手册》第7卷 《电磁学》 《计量测试技术手册》编辑委员会， 中国计量出版社，1996年12月 • 《电磁学发展史（修订版）》 宋德生、李国栋著， 广西人民出版社， 1996年12月

  13. 电磁学单位制的现状 电磁学的SI单位制与MKSA单位制一致。 • 统一采用SI单位制 • 谁在使用非SI单位制？ Many U.S. teachers think the answer is “Liberia（利比里亚） and Burma（缅甸）” (make that Myanmar（缅甸）). Let's give Liberia and Myanmar a break!All countries have adopted the metric system, including the U.S., and most countries (but not the U.S.) have taken steps to eliminate most uses of traditional measurements. However, in nearly all countries people still use traditional units sometimes, at least in colloquial expressions. Becoming metric is not a one-time event that has either happened or not. It is a process that happens over time. Every country is somewhere in this process of going metric, some much further along than others.

  14. 计量在中国 • 1986年以前：“行政计量” • 1986年－：“法制计量” • 1987年－：产品质量检验机构的“计量认证” • 1998年－：引入“实验室认可”机制 • 目前：计量认证/审查认可、实验室认可并行

  15. 国家法定计量单位 legal unit of measurement 法定计量单位 legal unit of measurement 由国家法律承认、具有法定地位的计量单位。 《中华人民共和国计量法》第一章第三条： “国家采用国际单位制。 国际单位制计量单位和国家选定的其他计量单位， 为国家法定计量单位。”

  16. 国家法定计量单位 44/20 SI基本单位：7个 SI辅助单位：2个 具有专门名称的SI导出单位：19个 国家选定的非SI单位：16个 SI单位的十进倍数和分数单位的词头：20个

  17. 国际单位制（SI）的维持机构 The international system of units, SI, Le Système International d’Unités Meter Convention，国际米制公约（La Convention du Mètre） 1875年5月20日共有17个国家在巴黎签署的国际公约（Treaty），成立BIPM和CGPM，并由CIPM来组织和管理BIPM和CGPM。至2004年1月有51个缔约国和16个准会员。（中国1977年5月9日宣布，6月16日确认。） BIPM，国际计量局，总部位于法国巴黎郊区Sèvres的Pavillon de Breteuil。 The International Bureau of Weights and Measures (Bureau International des Poids et Mesures ) 。 CGPM，国际计量大会，每四年召开一次，为国际计量最高权力机构。 the General Conference on Weights and Measures (Conférence Générale des Poids et Mesures ) 。 CIPM，国际计量委员会，是CGPM的常设执行结构。 the International Committee for Weights and Measures (Comité International des Poids et Mesures ) 。

  18. Argentina Greece Poland Hungary Australia Portugal India Austria Romania Indonesia Belgium Russian Federation Iran, Islamic Republic of Brazil Serbia and Montenegro Ireland Bulgaria Singapore Israel Cameroon Slovakia Italy Canada South Africa Japan Chile Spain Korea, Dem. People's Rep. of China Sweden Czech Republic Switzerland Korea, Republic of Denmark Thailand Malaysia Dominican Republic Turkey Mexico Egypt United Kingdom Netherlands Finland United States New Zealand France Uruguay Norway Germany Pakistan Venezuela Jamaica Philippines Belarus Kenya Chinese Taipei Slovenia Latvia Costa Rica Ukraine Lithuania Cuba Viet Nam Malta Ecuador Panama Hong Kong (China) CGPM会员与准会员(2004年1月29日） Members (51) Associates of the CGPM (16)

  19. 7个 国际单位制（SI）：基本单位 基本单位的定义：米、千克、秒、安培、开尔文、摩尔、坎德拉 国际单位制（SI）：辅助单位 2个

  20. 国际单位制(SI)：具有专门名称的SI导出单位 前10个，共19个

  21. 国际单位制(SI)：具有专门名称的SI导出单位 后9个，共19个 （续前表）

  22. 16个 国家选定的其它计量单位

  23. 单位的写法与读法 GB 3100：国际单位制及其应用 GB 3101：有关量、单位和符号的一般原则 Guó Biāo 中华人民共和国国家标准：GB 3100系列 单位的读法：单位符号的中文读法 1、依据单位符号的顺序， “ • ”：不读；“ / ”：每 2、指数名称在前 单位1 •单位2 / 单位3•单位4 3、面积：平方 体积：立方 不读 每 不读 质量热容： J/(kg•K) J/kg/K 焦耳每千克开尔文

  24. 单位的写法与读法 中文符号：即单位名称的简称。只在有必要时用于中、小学教材和普通书刊中。除了C外，必须用中文。 中文符号不得与单位符号混用，km/小时 单位的写法：单位符号、单位名称 1、单位符号一律用正体：除了来源于人名的单位符号首字母要大写外，其余均为小写。 2、单位符号在全部数值之后，与数值间留适当的空隙，例外：角度单位的符号与数值间不留空隙，30，15'，20''。 量的符号：必须用斜体，下标用正体，物理量符号作下标用斜体 作业：量、量的符号；单位、单位名称、单位符号

  25. 规范化 • 毫微米 ？ mm ？ nm ？ • 纳米微电子学 ？ • 50C 摄氏50度 ？ 50 C 50 摄氏度 ？ • 37.0 ± 0.5C ？ (37.0 ± 0.5) C ？ • 10 ～ 30 nm ？10 nm ～ 30 nm ？ (10 ～ 30) nm ？ • 23,500.674,25 ？ 23 500.674 25 ？ 修约区间：0.1，1.25＝？ 1.35＝？ 1.251＝？1.349＝？ 作业题：数的修约规则

  26. 电磁学计量单位的确定 电荷Coulomb定律 基本单位 磁荷Coulomb定律 Biot－Savart定律 2107 N  c0：m/s；＝1；0＝4107 H/m 有理化：k1=k2=k3=4

  27. 电磁学的各种单位制 首先确定导出c0的基本单位；其次确定选取0、0、中哪一个作为独立量；最后确定k1、k2、k3。以保证公式的系数简化。

  28. 如何确定磁学单位 • 磁学单位是导出单位 由磁学量的定义方程式来确定。 磁矩 m： 磁感应强度 B： 磁通： 磁场强度 H： 磁化强度 M： 磁化率 ： 磁导率 ：

  29. 常用电磁学单位

  30. 常用磁学单位的定义 磁通单位：韦[伯]（Wb） 韦伯是只有一匝的环形线圈中的磁通量，它在 1 秒时间间隔内均匀地降到零时，环路内所感应产生的电动势为 1 伏[特]： 1 Wb 1 V 0 Wb 1 s 0 s 1 亨[利]的电感、通以 1 安[培]电流，电感中的磁通量为 1 韦[伯]。

  31. 常用磁学单位的定义 磁通密度、磁感应强度单位：特[斯拉]（T） 1 平方米面积内，垂直均匀通过 1 韦[伯]磁通量的磁通密度等于 1 特[斯拉]： 在真空、均匀磁场中，通过电流为 1 安[培]、长度为 1 米的直导线，所受到的力最大为 1 牛[顿]时，磁通密度为 1 特[斯拉]。

  32. 常用磁学单位的定义 置于磁场中的电流回路所受到的转矩 T等于回路的磁矩 m与磁通密度 B的矢量积： 磁矩单位：安[培]平方米（Am2） 截面积为 1 平方米的电流回路，通过电流为 1 安培时的磁矩。 Bohr磁子B：927.400 968(20)1026 J  T1（2010 CODATA）

  33. 常用磁学单位：磁能积BH 磁能积 BH： B的单位：1 T(esla)＝1 kg · s－2·A－1 H的单位：A · m－1 BH的单位：1 T · A · m－1＝1 m－1· kg · s－2 能量的单位：1 J(oule)＝1 m2· kg · s－2 能量密度的单位：1 J · m－3＝1 m－1· kg · s－2 因此， BH的单位为，1 T ·A · m－1＝1 J · m－3 1 T ·kA · m－1＝1 kJ · m－3 1 J · m3 ＝40 GOe

  34. 常用磁学单位：磁化强度M 磁化强度 M：单位体积的磁矩 单位：A · m－1 比磁化强度：单位质量的磁矩 单位：A · m2/kg mole比磁化强度：A · m2/mol 每分子磁矩：A · m2/formula ？ 1 A · m2＝103 emu 1 A · m2/kg＝1 emu/g mole数： 分子数：mole数NA Avogadro常数NA：6.022 141 29(27) 1023 mol1（2010 CODATA）

  35. 看文献：三个Gs SI A/m T=Wb/m2 4107H/m 4104 103/4 104 103 Gs2 Gs1 Gs3 Oe Gauss ?

  36. 看文献：三个Gs 量值和单位

  37. 看文献：三个Gs

  38. 看文献：三个Gs emu  emu/g ( = Am2/kg)  Gs  4Gs  T(esla) ? 4JGauss 4MGauss BGauss JGauss、MGauss BSI

  39. 常用磁学单位：磁化率 磁化率 ：磁化强度M与磁场强度H的关系 SI的单位：1（无量纲） 直流磁化率 起始磁化率 最大磁化率 交流磁化率 微分磁化率 Gauss单位制中的磁化率Gauss G/Oe? emu/(g  Oe)

  40. 如何确定电学单位 绝对单位制：三个基本量 MKSA单位制：四个基本量 • 电学单位与力学单位的关系 s m kg A 导 出 顺 序 kgms2 N  kgm2s3A2 Nm J J s1 kgm2s3A1 kgm2s3 W V 电功率 机械功率

  41. 电流单位：安培  无限长 截面可忽略 安培是一恒定电流，若保持在处于真空中相距1 米的两无限长、而圆截面可忽略的平行直导线内，则在此两导线之间所产生的力在每米长度上等于2107牛顿。 定义： 1 m 1 m 2107 N 电流 电流 

  42. 电学单位的确定 • 电流单位的确定 核磁共振电流量子标准 电流天平法 电动力计法 瓦特绝对测量 p：2.675 222 005(63) x 108 s-1 T-1（CoDATA 2010） http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?gammap|search_for=proton

  43. 电学单位的确定 约瑟夫森效应电压量子标准 微分法绝对测量伏特 开尔文绝对静电计 液体静电计 积分法绝对测量伏特 • 电压单位的确定 KJ：483 597.870(11)  109 Hz V-1（CoDATA 2010） http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?kjos|search_for=josephson

  44. 电学单位的确定 • 电阻单位的确定 量子化霍尔效应电阻量子标准 计算电容法绝对测量电阻 计算互感法 RK：25 812.807 4434(84) （CoDATA 2010） http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?rk|search_for=klitzing

  45. 电磁学计量单位量纲的确定 电荷Coulomb定律 基本单位 量纲表示方法： 质量：[Mass]、长度：[Length]、时间：[Time] 电荷的量纲： 电流的量纲：

  46. 电磁学计量单位量纲的确定 磁荷Coulomb定律 基本单位 磁荷的量纲： Biot－Savart定律 电流的量纲：

  47. 电磁学计量单位量纲的确定 电荷Coulomb定律 基本单位 电流的量纲： Ampère定律 速度的量纲 Maxwell

  48. 退磁效应DeMagnetizing Effect（磁路、几何形状、尺寸、磁导率）

  49. 磁路1 磁 路 磁路：磁力线的通路 Epstein square 1、闭合磁路： 材料自身构成 材料与其它软磁轭构成

  50. 磁路2 磁 路 磁路：磁力线的通路 2、开放磁路： 基于电磁铁的各种VSM、AGFM、MB、(S)MOKE； 基于超导磁体的各种磁强计： ESM、ACMS、MPMS、SVSM、PPMS_VSM 开放磁路带来的问题： 退磁效应 镜像效应

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