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标准、规程 原理、方法
量值溯源 量具检定
磁性
3
• 磁性的起源：原子固有磁矩
原子核 电荷：＋e 自旋： 1 磁矩： N
未成对电子
电子 电荷：－e 自旋： ½ 磁矩： 自旋磁矩＋轨道磁矩
原子磁矩 ＝电子磁矩＋原子核磁矩
Pauli不相容原理＋Hund 法则
磁性
4
• 磁有序的起源：交换相互作用
量
全子
磁性测量
7
• 磁性测量的现状
一、直接测量原子的磁矩
原子核磁矩？
真正测量单原子：磁圆（线）振二向色性
中子散射 ？
Mössbauer谱 ？
二、间接测量原子的磁矩
间接测量单原子：假设、计算
统计平均：总体平均 再谈
磁性测量
8
• 磁性测量原则
粒子 光
盘点我们的本事 人
各
磁
物质
种
谱
电
力、声
热
磁性测量
9
• 磁性测量原理
回旋共振（载流子、离子）
电子顺磁共振（EPR） 电子自旋共振（ESR） 铁磁共振（FMR） 亚铁磁共振（FiMR） 反铁磁共振（AFMR） 核磁共振（NMR） Mössbauer效应
－SR
磁性测量
• 磁性测量: 技 术
信
信
信
信
信
号
号
号
号
号
发
变
采
传
存
生
换
集
输
储
17
信 号 处 理
电信号 光信号
模拟技术 数字技术
间接测量－直接测量
电磁感应原理 宏观物理效应 微观物理效应 磁共振效应
磁通测量 磁矩测量 磁场测量
磁性测量
10
• 电磁感应原理
磁通量
面积
A
SBdS
DE0B
t
B0
Hj0
D
t
L E dL dd Btd dS tB dS
磁性测量
11
• 物理效应之一：磁－电 磁场中的电输运
磁 场－载 流 子 自旋相关电子散射
（微波）能量吸收
仪器设备
振动样品磁强计 提拉样品磁强计 SQUID磁强计
冲击法 转矩仪、磁秤 交变梯度磁强计
SMOKE 磁致伸缩仪 各类共振仪器
信号放大方法
锁相放大器 积分放大器 SQUID放大器 光电检流计 光敏电阻、压电晶体 压电晶体、前置放大器 光电变换器、前置放大器 电阻应变器、前置放大器 各种RF放大器
磁性测量
21
• 磁性测量: 传统 仪 器
信号传输
信号处理
与天斗 其乐无穷
信号存储
与地斗 其乐无穷
磁性测量
22
• 磁性测量：虚拟 仪 器（VI）
ROMM礟ath DICSAPONLNDATYROLPROCE礟SSMOERMBOU48SR8YPORT
CAon/DdDit/iADonI/TiTOniIgm/Oing
磁性测量
14
• 物理效应之四：磁－热
磁致温差效应
磁热效应
磁卡效应
磁性测量
15
• 物理效应之五：磁－磁
磁结构确定
中子散射（衍射）
磁畴观测 磁振子相互作用
Lorentz力 杂散磁场效应
Bitter（粉纹）法
磁场敏感器件
磁力（MF）显微法
磁性测量
16
• 磁相关共振
回旋共振 Landau能级
自旋共振 Zeeman能级
核铁磁性
有
反铁磁性
非共线 反铁磁性
散反铁 磁性
超反铁 磁性
混磁性
序
亚铁磁性
非共线 亚铁磁性
散亚铁 磁性
－－
？
超 顺磁性
核反铁 磁性 核亚铁 磁性
－－
磁性
6
• 物体的磁性（表观@内禀）
物理原理决定
制备工艺相关
尺寸效应（退磁因子） （天体基本粒子）
结晶状态 显微结构 杂质状态
Fe 或者 铁 Co 或者 钴
同力 粒学
间接
无交换相互作用
子效 应
直接 交换相互作用
超
磁性
5
• 物质的磁性（内禀）
电 晶态系统 共线 非共线
子磁
非晶态 系统
性
磁微粒 系统
磁稀释 系统
原子核 磁性
磁无序
抗磁性 顺磁性
抗磁性 顺磁性
－－ 顺磁性
－－ 顺磁性
核抗磁性 核顺磁性 （核磁性）
磁Biblioteka Baidu
铁磁性
非共线 铁磁性
散铁磁性
超铁磁性
自旋玻璃 （玻磁性）
磁性测量
18
• 磁性测量: 传统 仪 器
被测量
测量量具
均匀
非均匀
稳恒磁场 磁场传感器
Hall片、双线圈
磁 交变磁场 （Hall片、单线圈） Hall片、多线圈
通 杂散磁场 磁 场 传 感 器、磁 通 量 具、磁通门
磁矩
各类磁强计
磁性测量
19
• 磁性测量: 传统 仪 器
信号发生 信号变换
空间变化 振动样品、提拉样品、冲击法、SQUID磁强计 电磁感应
传统仪器
厂商定义功能
Temperature
Flow Pressure Alarm Conditions
Control Panel
STOP
Conditioning
DISP LAY
CO AN NTDRO礟L
A/D TI/O
磁力效应 磁致伸缩 旋磁效应
压磁效应 线性效应
圆周效应 体效应
横向Joule效应
Guillemin效应
Brackett效应
Joule效应
Einstein－de Hass效应
Barrett效应
Wiedemann效应 扭矩减小效应
磁秤（常用的有7种）
劲度系数效应
扭矩效应
转矩
交变梯度磁强计
磁声效应
磁振子－声子相互作用
时间变化 动态磁性测量仪、永磁材料测试仪
光
SMOKE、磁圆（线）振二向色性
物理效应
电
交、直流电输运
力
磁转矩、磁秤、交变梯度磁强计
磁共振
稳恒磁场 微波磁场
ESR、FMR、AFMR、NMR、Mössbauer谱 回旋共振
磁性测量
20
• 磁性测量: 传统 仪 器
信号采集
信号采集方法
探测线圈
悬丝扭矩、杠杆失衡 梯度线圈、压电晶体电压 极化光偏振方向、检偏器 电阻应变片应变、激光行程
Hall效应
经典Hall效应 量子Hall效应
Shubnikov－de Haas效应 一般磁致电阻效应（OMR） 回旋共振（载流子、离子）
分数Hall效应 整数Hall效应
各项异性磁致电阻效应（AMR） 巨磁致电阻效应（GMR） 超大磁致电阻效应（CMR） 磁致隧道效应(TMR)
磁性测量
12
• 物理效应之二：磁－光
磁性测量概论
（共 50 页）
• 磁性 • 磁性测量
1
磁性测量概论
目 的
• 希望 澄清一些磁学计量概念 • 帮助 了解数据的来源
• 全面 掌握数据的测量方法
• 促进 研究磁性的测量理论与测量技术
2
磁性测量概论
计量 Metrology
能够测量什么量 ？ 怎么测量这些量 ？ 如何保证正确性 ？
现有能力 潜在能力
发光光谱 光反射模式 光透射模式
光子散射
Zeeman效应
Kerr效应 Faraday效应 Cotton－Mouton效应 磁双折射效应 磁圆振二向色性 磁线振二向色性
极向Kerr效应 纵向Kerr效应 横向Kerr效应
磁致激发光散射（磁振子－光子散射） 回旋共振（载流子、离子）
磁性测量
13
• 物理效应之三：磁－力（声）
量值溯源 量具检定
磁性
3
• 磁性的起源：原子固有磁矩
原子核 电荷：＋e 自旋： 1 磁矩： N
未成对电子
电子 电荷：－e 自旋： ½ 磁矩： 自旋磁矩＋轨道磁矩
原子磁矩 ＝电子磁矩＋原子核磁矩
Pauli不相容原理＋Hund 法则
磁性
4
• 磁有序的起源：交换相互作用
量
全子
磁性测量
7
• 磁性测量的现状
一、直接测量原子的磁矩
原子核磁矩？
真正测量单原子：磁圆（线）振二向色性
中子散射 ？
Mössbauer谱 ？
二、间接测量原子的磁矩
间接测量单原子：假设、计算
统计平均：总体平均 再谈
磁性测量
8
• 磁性测量原则
粒子 光
盘点我们的本事 人
各
磁
物质
种
谱
电
力、声
热
磁性测量
9
• 磁性测量原理
回旋共振（载流子、离子）
电子顺磁共振（EPR） 电子自旋共振（ESR） 铁磁共振（FMR） 亚铁磁共振（FiMR） 反铁磁共振（AFMR） 核磁共振（NMR） Mössbauer效应
－SR
磁性测量
• 磁性测量: 技 术
信
信
信
信
信
号
号
号
号
号
发
变
采
传
存
生
换
集
输
储
17
信 号 处 理
电信号 光信号
模拟技术 数字技术
间接测量－直接测量
电磁感应原理 宏观物理效应 微观物理效应 磁共振效应
磁通测量 磁矩测量 磁场测量
磁性测量
10
• 电磁感应原理
磁通量
面积
A
SBdS
DE0B
t
B0
Hj0
D
t
L E dL dd Btd dS tB dS
磁性测量
11
• 物理效应之一：磁－电 磁场中的电输运
磁 场－载 流 子 自旋相关电子散射
（微波）能量吸收
仪器设备
振动样品磁强计 提拉样品磁强计 SQUID磁强计
冲击法 转矩仪、磁秤 交变梯度磁强计
SMOKE 磁致伸缩仪 各类共振仪器
信号放大方法
锁相放大器 积分放大器 SQUID放大器 光电检流计 光敏电阻、压电晶体 压电晶体、前置放大器 光电变换器、前置放大器 电阻应变器、前置放大器 各种RF放大器
磁性测量
21
• 磁性测量: 传统 仪 器
信号传输
信号处理
与天斗 其乐无穷
信号存储
与地斗 其乐无穷
磁性测量
22
• 磁性测量：虚拟 仪 器（VI）
ROMM礟ath DICSAPONLNDATYROLPROCE礟SSMOERMBOU48SR8YPORT
CAon/DdDit/iADonI/TiTOniIgm/Oing
磁性测量
14
• 物理效应之四：磁－热
磁致温差效应
磁热效应
磁卡效应
磁性测量
15
• 物理效应之五：磁－磁
磁结构确定
中子散射（衍射）
磁畴观测 磁振子相互作用
Lorentz力 杂散磁场效应
Bitter（粉纹）法
磁场敏感器件
磁力（MF）显微法
磁性测量
16
• 磁相关共振
回旋共振 Landau能级
自旋共振 Zeeman能级
核铁磁性
有
反铁磁性
非共线 反铁磁性
散反铁 磁性
超反铁 磁性
混磁性
序
亚铁磁性
非共线 亚铁磁性
散亚铁 磁性
－－
？
超 顺磁性
核反铁 磁性 核亚铁 磁性
－－
磁性
6
• 物体的磁性（表观@内禀）
物理原理决定
制备工艺相关
尺寸效应（退磁因子） （天体基本粒子）
结晶状态 显微结构 杂质状态
Fe 或者 铁 Co 或者 钴
同力 粒学
间接
无交换相互作用
子效 应
直接 交换相互作用
超
磁性
5
• 物质的磁性（内禀）
电 晶态系统 共线 非共线
子磁
非晶态 系统
性
磁微粒 系统
磁稀释 系统
原子核 磁性
磁无序
抗磁性 顺磁性
抗磁性 顺磁性
－－ 顺磁性
－－ 顺磁性
核抗磁性 核顺磁性 （核磁性）
磁Biblioteka Baidu
铁磁性
非共线 铁磁性
散铁磁性
超铁磁性
自旋玻璃 （玻磁性）
磁性测量
18
• 磁性测量: 传统 仪 器
被测量
测量量具
均匀
非均匀
稳恒磁场 磁场传感器
Hall片、双线圈
磁 交变磁场 （Hall片、单线圈） Hall片、多线圈
通 杂散磁场 磁 场 传 感 器、磁 通 量 具、磁通门
磁矩
各类磁强计
磁性测量
19
• 磁性测量: 传统 仪 器
信号发生 信号变换
空间变化 振动样品、提拉样品、冲击法、SQUID磁强计 电磁感应
传统仪器
厂商定义功能
Temperature
Flow Pressure Alarm Conditions
Control Panel
STOP
Conditioning
DISP LAY
CO AN NTDRO礟L
A/D TI/O
磁力效应 磁致伸缩 旋磁效应
压磁效应 线性效应
圆周效应 体效应
横向Joule效应
Guillemin效应
Brackett效应
Joule效应
Einstein－de Hass效应
Barrett效应
Wiedemann效应 扭矩减小效应
磁秤（常用的有7种）
劲度系数效应
扭矩效应
转矩
交变梯度磁强计
磁声效应
磁振子－声子相互作用
时间变化 动态磁性测量仪、永磁材料测试仪
光
SMOKE、磁圆（线）振二向色性
物理效应
电
交、直流电输运
力
磁转矩、磁秤、交变梯度磁强计
磁共振
稳恒磁场 微波磁场
ESR、FMR、AFMR、NMR、Mössbauer谱 回旋共振
磁性测量
20
• 磁性测量: 传统 仪 器
信号采集
信号采集方法
探测线圈
悬丝扭矩、杠杆失衡 梯度线圈、压电晶体电压 极化光偏振方向、检偏器 电阻应变片应变、激光行程
Hall效应
经典Hall效应 量子Hall效应
Shubnikov－de Haas效应 一般磁致电阻效应（OMR） 回旋共振（载流子、离子）
分数Hall效应 整数Hall效应
各项异性磁致电阻效应（AMR） 巨磁致电阻效应（GMR） 超大磁致电阻效应（CMR） 磁致隧道效应(TMR)
磁性测量
12
• 物理效应之二：磁－光
磁性测量概论
（共 50 页）
• 磁性 • 磁性测量
1
磁性测量概论
目 的
• 希望 澄清一些磁学计量概念 • 帮助 了解数据的来源
• 全面 掌握数据的测量方法
• 促进 研究磁性的测量理论与测量技术
2
磁性测量概论
计量 Metrology
能够测量什么量 ？ 怎么测量这些量 ？ 如何保证正确性 ？
现有能力 潜在能力
发光光谱 光反射模式 光透射模式
光子散射
Zeeman效应
Kerr效应 Faraday效应 Cotton－Mouton效应 磁双折射效应 磁圆振二向色性 磁线振二向色性
极向Kerr效应 纵向Kerr效应 横向Kerr效应
磁致激发光散射（磁振子－光子散射） 回旋共振（载流子、离子）
磁性测量
13
• 物理效应之三：磁－力（声）