电子技术基础知识和基本概念

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高场分离超导磁体装置,室温孔径达到41毫米,室温劈缝宽度为13毫米、劈缝开度为2*85°、中心磁场强度达到10特斯拉。该装置拥有四个同轴超导线圈组,采取NbTi+Nb3Sn超导线圈对组合方式。该磁体装置将与X射线全散射装置相结合。成为强磁场下X射线全散射装置”的重要组成部分。可兼容通用的粉末X射线衍射仪。  超导磁体是指低温下用具有高转变温度和临界磁场特别高的第二类超导体制成线圈的一种电磁体。它的主要特点是无导线电阻产生的电损耗,也没有因铁芯存在而产生的磁损耗,具有很强的实用价值。在工业和科研上应用极广,但它必须在液态氦温度下工作,成本较高。    特斯拉是国际单位制中磁感应强度的单位。简称特,符号是T。将带有1A恒定电流的直长导线垂直放在均匀磁场中,若导线每米长度上受到1N的力,则该均匀磁场的磁感应强度定义为1T。  X射线散射是X射线与物质相互作用时,除了可能被物质吸收外,还可能被物质散射。在散射现象中,当散射线波长与入射线相同时,相位滞后恒定,散射线之间能互相干涉,称为相干散射;相干散射波之间产生相互干涉,就可获得衍射,故相干散射是x射线衍射技术的基础。  采用超导磁体分离矿石、煤、高岭土等固体物质中磁性杂质在国内外已得到广泛应用,但用于废水分离净化尚少涉及。主要原因是对于废水中的有机、无机污染物,由于这些污染物本身没有磁性,靠磁场产生的磁吸引力无法分离。

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盘点宇宙八大最强磁体:中子星磁场为地球百万亿倍
据美国《探索》杂志报道,磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质,而磁体周围存在磁场。在浩瀚的宇宙中,一些物质借助磁场向对方施加强大的影响,比如中子星,它的磁场强度竟然是地球的100万亿倍。以下便是宇宙间最强大的磁体。

电和磁是不可分割的统一体,有电就有磁,有磁就有电。无线电中经常用到电磁学中的概念,还有许多电与磁的换能器件。

1.中子星:磁场强度是地球100万亿倍

磁场与磁力线

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1.磁性、磁体、磁极、磁力

我们可以从自家电冰箱感受到磁体的影响。最强大的人造磁场会让粒子碰撞和聚变反应成为可能。但是,正如我们所看到的,即便与宇宙最远端的磁场(如源于中子星的磁场)相比,人类付出最大的努力仍旧显得苍白无力。超新星种类不同,产生的结果也不同。质量最大的超新星会在爆发以后形成黑洞,而质量相对较小的超新星则会产生中子星。

(1)磁性。能够吸引铁等物质的性质称为磁性。

中子星的密度惊人,磁性同样惊人:地球的磁场强度维持在0.5高斯左右,而中子星的磁场却是地球的100万亿倍。这张照片是钱德拉X射线望远镜拍摄的仙后座A(Cassiopeia
A)超新星残余。

(2)磁体。具有磁性的物体叫磁体,最常见的扬声器其背面的磁钢就是磁体。

2.磁星:从10万英里处消除信用卡信息

(3)磁极。磁铁两端磁性最强的区域称为磁极。一个磁铁有两个磁极:一个是南极,用S表示;另一个是北极,用N表示。当一块磁铁分割成几块后,每一小块磁铁上都有一个S极和一个N极,如图1-4所示,也就是说S、N极总是成对出现的。

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(4)磁力。磁极间有相互作用力,这种力称为磁力。同极性间相斥,异极性之间相吸。

出于一些尚未被完全理解的原因,有些中子星被归入“磁星”一类。磁星“继承”了一般中子星惊人的磁场强度,并在此基础上乘以1000倍。即便在地球和月球之间停留,磁星仍可以消除信用卡上的信息。

图1-4 磁极示意图

科学家尚不确定磁体的磁场强度超过普通中子星的原因,但天文学家发现这种现象越来越明显。当不同寻常的磁场开始减缓中子星的旋转速度时,它会以X射线波长释放剧烈的能爆,美宇航局的X射线望远镜可以看到这一切。

2.磁场和磁力线

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(1)磁场。磁场和电场一样是一种特殊的物质,它看不见也摸不着,但的确存在。磁体周围存在的磁力作用的空间称为磁场,互不接触的两个磁体之间相互作用的力是由磁场传递的。

我们大家都听说过黑洞的故事:这些超高密度的超新星残余施加如此惊人的引力,使得它们可以吞噬附近的一切事物,为黑洞进一步提供了能量。但是,故事并未以引力而结束。

(2)磁力线。图1-5所示是磁力线示意图。磁力线有时还称为磁感线或磁通线。磁力线是闭合的。

一旦物质被拉向黑洞,它会在黑洞边缘旋转,并在被吞噬之前甩掉部分角动量。磁性便是在这一过程产生的。在气体绕黑洞盘面边缘旋转时,会产生自己的磁场,这个磁场会抛射盘面的气体远离黑洞。这些喷射物会从距离黑洞最近的气体内部“盗取”能量。随后,气体速度慢慢减缓,最终被这个黑暗的魔兽所吞噬。

图1-5 磁力线示意图

4.全球最大的人造磁体

重要提示

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磁力线有方向,规定在磁体的外部,磁力线由N极指向S极,在磁体内部则是由S极指向N极,如图1-5中所示。

尽管人造磁体不能与自然界最强大的磁体相提并论,但人类的努力并非无足轻重。美国的三个不同机构——佛罗里达州立大学、佛罗里达大学、新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室——构成了美国国家磁场实验室,这里也是世界上最大的人造磁体所在地。

磁力线的方向可以用来表示磁场方向。

仅仅洛斯阿拉莫斯国家实验室就有8个可在至少50特斯拉(一个普通条形磁体可生成0.01特斯拉的强度)强度下运行的磁体,其中还包括一个用时10年制造的100特斯拉的多点磁体。

澳门新葡萄京官网首页,在磁极附近磁力线最密,表示磁场最强;在磁体中间磁力线最稀,表示磁场最弱。用磁力线的多少来表征磁场的强弱。

运行这些磁体投入巨大,例如,洛斯阿拉莫斯国家实验室便使用一个1.43千兆瓦发电机和5个64兆瓦电源。1.43千兆瓦发电机放在一个由60根弹簧制成的平台上,因为在磁体通电以后,会产生惊天动地的怒吼,所以,发电机放在弹簧平台上面是磁体减速时减缓震动所必须的。

3.电流磁场

5.大型强子对撞机揭开宇宙起源之谜

电流周围存在磁场。磁场总是伴随着电流而存在,电流永远被磁场所包围。

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(1)直导线电流磁场。如图1-6所示,一根直的导线,当导线中流有电流时,在导线的周围存在磁场,判断这一磁场方向用右手螺旋定则,具体方法是:让右手握住直的导线,并将大拇指指向电流流动的方向,四指所指的方向就是磁场方向。

大型强子对撞机是一个具有多个超大磁体的庞然大物,线圈长度超过14米。超导磁体可以在8特斯拉以上的强度下运行,驱动质子绕一条17英里长的环形隧道运转,令其互相撞击,生成无数的次原子微粒。2008年9月,大型强子对撞机启动后不久便因磁体冷却系统的电连接故障而关闭。如今,经过近一年的维修,这台超导对撞机仍未启动,这种情况将至少持续到今年11月。

图1-6 示意图

6.国际热核聚变实验堆

(2)环形电流磁场。如图1-7所示,将导线绕成环形(称为螺线管或线圈),并给线圈通电,此时的磁场方向也是用右手螺旋定则来判断,具体方法是:右手握住螺线管,让四指指向线圈中的电流流动方向,大拇指所指方向为磁场方向。

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图1-7 示意图

对科学家来说,获取“自给自足”的聚变能量仍是一个梦想,而实现这个梦想的关键在于磁性。国际热核聚变实验堆是一个由多国参与的项目,是世界上规模最大的融合氘和氚的尝试之一。氘和氚是氢的两个重同位素。一旦国际热核聚变实验堆建立起来,它会不断加热氘和氚,令其变成等离子态,产生500兆瓦的高温。接着,这台装置将利用磁场去包含和控制那些过热的等离子质。

磁通、磁感应强度、磁导率和磁场强度

7.自然界最奇特的现象——超导电性

1.磁通

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磁通是磁通量的简称。通过与磁场方向垂直的某一面积上的磁力线总数,称为磁通。磁通用Φ表示。当面积一定时,垂直通过该面积的磁力线愈多,说明磁场愈强,反之则弱。

超导电性是自然界最奇特的现象之一,是单纯依靠经典物理学所无法彻底解释的。有些物质在被冷却至接近绝对零度时,其电阻会变为零。因此,电流可以无限期地持续下去。科学家在大型强子对撞机这样的粒子对撞机上采用了超导材料,但你大可不必不远万里前往欧洲去探求它们的特性。超导体中的持续电流可以使物质浮起来,因为恒定电流会排斥浮动物体的磁场。此图中,荷兰科学家在一个16特斯拉的磁场里将一只青蛙浮了起来。

2.磁感应强度

8.核磁共振成像窥视人体内部奥秘

垂直通过单位面积上的磁力线数,称为磁感应强度,可见磁感应强度能够表示磁场的强弱。磁感应强度用B表示。

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关于磁感应强度还要说明几点。

自从科学家20世纪70年代初制造出第一台核磁共振成像仪器以来,这项技术的发展可以用“突飞猛进”四个字来形容——以致美国食品与药品管理局不得不给人体暴露于外部的磁性幅度设限。2003年,在伊利诺斯州大学的科学家开发出9.4特斯拉的扫描仪以前,8特斯拉是最大值。9.4特斯拉的扫描仪最终获得美国食品与药品管理局批准。

(1)磁感应强度也称为磁通密度。

但是,它并不是世界上最强大的核磁共振成像扫描仪。曾给麻省理工学院开发出9.4特斯拉扫描仪的布鲁克拜厄斯宾公司(Bruker
Biospin)在此基础上设计出11.7特斯拉核磁共振成像扫描仪。2009年,得克萨斯大学宣布计划在其医疗中心安装一台11.7特斯拉核磁共振成像扫描仪。

(2)磁感应强度是一个矢量,它不仅表示了磁场中某点的磁场大小,也表示了该点的磁场方向。磁力线上某点的切线方向就是该点的磁感应强度方向。

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(3)磁场中各点的磁感应强度大小和方向相同时,这种磁场称为均匀磁场。

3.磁导率

为了表征物质的导磁性能,引入磁导率这个物理量,磁导率用μ表示。

由实验测得真空中的磁导率(用μ0表示)为一个常数。

为了比较物质的导磁性能,将任一物质的磁导率与真空中磁导率的比值作为相对磁导率,用μr表示。

根据物质的磁导率不同,可将物质划分成下列三类。

(1) μ r lt;1的物质叫反磁物质,如铜。

(2) μ r gt;1的物质叫顺磁物质,如锡。

(3) μ r gt;gt;1的物质叫铁磁物质,如铁、钴。

4.磁场强度

磁场强度的定义是:磁场中某点磁感应强度与媒介质的磁导率的比值,叫该点的磁场强度。磁场强度用H表示。

磁场强度也是一个矢量,在均匀磁场中它的方向同磁感应强度的方向相同。

磁化、磁性材料和磁路

1.磁化

凡是原来没有磁性的物质使之具有磁性的过程称为磁化。凡是铁磁物质都能被磁化。

2.磁性材料

磁性材料(又称铁磁材料)通常可以划分成三类。

(1)软磁材料。这种铁磁材料在磁化后,保留磁性的能力很差。

(2)硬磁材料。这种铁磁材料在磁化后,保留磁性的能力很强。

(3)矩磁材料。这种铁磁材料只要有很小的磁场就能磁化,且一经磁化就达到饱和状态。

3.磁路

磁通(或磁力线)集中通过的路径称为磁路,相当于电路的概念。图1-8所示是磁路示意图。

图1-8 磁路示意图

关于磁路说明几点如下。

(1)为了获得较强的磁场,需要将磁通集中在磁路中。形成磁路的最好方法是用铁磁材料做成磁芯,将线圈绕在磁芯上。

(2)由于铁磁材料制成的磁芯其磁导率μ远大于空气的磁导率,所以磁通主要是沿磁芯闭合,只有很少部分通过空气或其他材料。

(3)通过磁芯的磁通称为主磁通,磁芯外的磁通称为漏磁通,漏磁通愈小愈好。

(4)磁路按其结构不同分为无分支磁路和分支磁路两种,其中分支磁路又分成不对称分支磁路和对称分支磁路两种,这相当于电路中的并联电路。

(5)磁路不同于电路,电路可以有开路状态,可磁路没有开路状态,因为磁力线是不可能中断的闭合曲线。

电磁感应和电磁感应定律

1.电磁感应

前面讲到电能够产生磁,电磁感应定律说明了磁也能够产生电。

图1-9所示是电磁感应现象示意图。当磁铁从上端向下插入时,会在线圈两端得到一个感应电动势,其极性为上正下负。如果磁铁在线圈中静止不动,则没有这一电动势。当磁铁从下向上插入时,感应电动势的方向为下正上负。

关于电磁感应主要说明以下几点。

(1)感应电动势又称感生电动势、感应电势、感生电势。

图1-9 电磁感应现象示意图

(2)产生电磁感应的条件是线圈中的磁通必须改变。当磁铁从上或从下插入线圈时都有感应电动势产生,这是因为磁铁运动引起了线圈中的磁通发生了改变。当磁铁在线圈中不运动时,没有感应电动势产生,因为磁铁不运动,线圈中的磁通没有改变。

(3)当线圈闭合时,由感应电动势产生的电流称为感应电流或感生电流。

2.电磁感应定律

感应电动势的大小与穿过线圈的磁通的变化率成正比,这被称为法拉第电磁感应定律。

当磁铁插入线圈中的速度愈快,磁通变化率愈高,感应电动势愈大,反之则愈小。

这一定律只能说明感应电动势的大小,不能说明感应电动势的方向。

自感、互感和同名端

1.自感

由于流过线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应叫自感应,简称自感。

图1-10所示电路可以说明自感现象。电路中的E是电源,H是白炽灯,L1是线圈(线圈的电阻很小,远小于白炽灯的电阻),S1是开关。

图1-10 自感现象示意图

当开关S1刚接通时,由于L1的电阻远小于白炽灯的电阻,所以电流只流过L1所在支路,没有电流流过白炽灯,这样白炽灯不亮。但是,当开关S1突然断开时,白炽灯却突然很亮后熄灭,这一现象称为自感现象。

重要提示

这一现象是因为开关断开时,L1中的磁通突然从有突变到零,这时L1两端要产生感应电动势,这一感应电动势加在白炽灯的两端,使白炽灯突然很亮。

关于自感说明以下几点。

(1)由自感产生的电动势称为自感电动势,简称自感电势。

(2)自感电动势与线圈本身的电感量成正比关系。线圈电感量是线圈的固有参数,电感量用L表示,L与线圈匝数和结构等情况有关。

(3)自感电动势还与线圈中电流的变化率成正比关系,当L一定时,电流变化愈快,自感电动势愈大,反之则小。

(4)对某一个具体线圈而言,L的大小反映了线圈产生自感电动势的能力。

重要提示

自感系数定义是,当一个线圈流过变化的电流时,电流产生的磁场使每匝线圈具有的磁通叫自感磁通,整个线圈具有的磁通称为自感磁链,将线圈中通过单位电流所产生的自感磁链称为自感系数。

2.互感

图1-11所示是互感现象示意图。图中有线圈L1和线圈L2,其中在线圈L1回路中接入电池和开关S1,在线圈L2回路中接入检流计。

图1-11 互感现象示意图

当开关接通后,检流计指针偏转一下后又归零,检流计的指针偏转说明有电流流过了线圈L2。

开关S1接通后,线圈L1中的电流从无到有,在线圈L1中产生了变化的磁通,这一变化的磁通穿过了线圈L2。

由于线圈L2中存在变化的磁通,所以在线圈L2两端要产生感应电动势,便有感应电流。当开关接通一段时间后,由于是直流电源,线圈L1中的电流大小不变,其磁通也不再变化,线圈L2中没有变化的磁通就不能产生感应电动势,所以检流计的指针不再偏转。一个线圈中的电流变化,引起另一个线圈中产生感应电动势的现象称为互感现象,简称互感。

关于互感说明以下几点。

(1)互感现象说明线圈L1和线圈L2之间存在磁耦合,又称为互感耦合。

(2)为了定量表征互感耦合情况,引入了互感系数这个量,互感系数用M表示。它的大小等于一个线圈中通过单位电流时,在另一个线圈中产生的互感磁链。互感M表征了磁交链的能力。

(3)线圈间具有的互感系数M是互感线圈的固有参数,它的大小与两个线圈的匝数、相互间位置、几何尺寸等因素有关。

(4)由互感所产生的电动势称为互感电动势,简称互感电势。当两个线圈确定后,一个线圈上互感电动势的大小正比于另一个线圈中的电流变化率。

(5)互感电动势不仅有大小还有方向,这一电动势的方向可以用同名端方法来确定。

3.互感线圈同名端

图1-12所示是同名端示意图,将线圈绕向一致而感应电动势极性一致的端点称之为同名端。如图1-12(a)所示中,线圈L1和线圈L2同绕在一个铁芯上,从图中可以看出,1端和4端是两线圈的头,且两线圈的绕向相同,所以是同名端,电动势的极性一致。2、3端也是同名端,1、2端之间极性相反,称为异名端。

图1-12 同名端示意图

同名端常用黑点表示。如图1-12(a)中所示,标有黑点的端是同名端,在电路图中的表示方式如图1-12(b)所示。

屏蔽

1.屏蔽

给变压器的一次绕组通入交流电后,在绕组周围产生了磁场,尽管有铁芯给绝大部分磁力线构成了磁路,但是仍有一小部分磁力线散布在变压器附近的一定空间范围内。

如果变压器散发的这些残余磁力线穿过变压器附近的其他线圈(或电路),在其他线圈中也要产生感生电动势,这便是磁干扰,是不允许的。为此,要给变压器加上屏蔽壳,使变压器中的磁场不向外辐射。

2.低频屏蔽

变压器的屏蔽壳不仅可以防止变压器干扰其他电路的正常工作,同时也可以防止其他散射磁场对变压器正常工作的干扰。

在低频变压器中,采用铁磁材料制成一个屏蔽盒(如铁皮盒),将变压器包起来。由于铁磁材料的磁导率高,磁阻小,所以变压器产生的磁力线由屏蔽壳构成回路,防止了磁力线穿出屏蔽壳,使壳外的磁场大大减小。

同理,外界的杂散磁力线也被屏蔽壳所阻挡,不能穿到壳内来。

3.高频屏蔽

在高频变压器中,由于铁磁材料的磁介质损耗大,所以不用铁磁材料作为屏蔽壳,而是采用电阻很小的铝、铜材料制成。

当高频磁力线穿过屏蔽壳时,产生了感生电动势,此电动势又被屏蔽壳所短路(屏蔽壳电阻很小),产生涡流,此涡流又产生反向磁力线去抵消穿过屏蔽壳的磁力线,使屏蔽壳外的磁场大大减小,达到屏蔽的目的。

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