本書由華中科技大學(xué)國家脈沖強磁場科學(xué)中心工程技術(shù)團隊在脈沖強磁場實驗裝置國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施多年建設(shè)和運行的實踐基礎(chǔ)上編寫而成。強磁場技術(shù)方面,簡要介紹了產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)強磁場的超導(dǎo)磁體和水冷磁體技術(shù),重點闡述了產(chǎn)生脈沖強磁場的脈沖磁體、脈沖電源及電磁參數(shù)測量技術(shù)等。強磁場應(yīng)用方面,主要介紹了基于洛倫茲力的電磁成形、電磁冶金和電磁制動等應(yīng)用,基于磁場力(矩)的整體充磁﹑磁靶向、磁控軟體機器人和負磁泳懸浮等應(yīng)用,以及磁制冷﹑磁刺激和軌道交通磁懸浮等其他磁場應(yīng)用。本書可作為高等學(xué)校電氣工程專業(yè)的高年級本科生和研究生教材,亦可供強磁場下前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究、電磁材料加工和生物電磁等領(lǐng)域的專業(yè)人員參考。
強磁場可以實現(xiàn)無接觸地能量傳遞,是物理、化學(xué)、材料、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域前沿科學(xué)研究不可替代的極端實驗條件,近40年來,與強磁場相關(guān)的諾貝爾獎達到10項。十一五期間,我國投資建設(shè)了強磁場大科學(xué)設(shè)施,其中穩(wěn)態(tài)部分由中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院承建,而脈沖部分由華中科技大學(xué)承建,是*直屬高校承建的*國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。大科學(xué)設(shè)施具有科研和工程的雙重屬性,對于高校的學(xué)科建設(shè)和立德樹人可以發(fā)揮重要作用。欣喜的是,國家脈沖強磁場科學(xué)中心研究團隊作為高校建設(shè)大科學(xué)設(shè)施第一個吃螃蟹的隊伍,他們不僅出色完成了大科學(xué)設(shè)施的建設(shè)任務(wù),而且始終牢記大學(xué)立德樹人的初心和使命,充分發(fā)揮大科學(xué)設(shè)施科研育人功效,率先將大科學(xué)設(shè)施的工程實踐融入本科生和研究生教學(xué)中,組織編寫了這本《強磁場技術(shù)與應(yīng)用》教材。作為同領(lǐng)域的學(xué)者,有幸第一時間見到并通讀了該教材,讓我印象深刻。首先,教材內(nèi)容豐富,深入淺出,兼顧了基礎(chǔ)性、高階性和創(chuàng)新性,很好地將強磁場領(lǐng)域的科研成果轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)性的教學(xué)資源。該書概要地介紹了超導(dǎo)、水冷等穩(wěn)態(tài)磁場系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識,專業(yè)性和可讀性強;同時,圍繞脈沖強場磁設(shè)施中的關(guān)鍵技術(shù),重點闡述了脈沖磁體、電源和測量等技術(shù)。以脈沖磁體為例,從基本原理入手,逐步深入到磁體的多級結(jié)構(gòu)、屈曲破壞及快速冷卻等,有利于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和創(chuàng)造性思維能力。為滿足培養(yǎng)強磁場科研領(lǐng)域高年級學(xué)生開展探究性和個性化的學(xué)習(xí)需要,該書還介紹了強磁場誘導(dǎo)的磁效應(yīng)、力效應(yīng)和熱效應(yīng)等在物質(zhì)宏微觀方面的諸多創(chuàng)新性應(yīng)用,反映了學(xué)科的前沿性和時代性。其次,教材育人理念強,特色鮮明,很好地實現(xiàn)了思政元素與專業(yè)知識的結(jié)合。從介紹我國古代四大發(fā)明之一的指南針開始,到我國創(chuàng)造的強磁場設(shè)施多項性能指標世界紀錄,體現(xiàn)了我國強磁場技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域的原創(chuàng)性研究成果和*新研究進展,不僅體現(xiàn)了精益創(chuàng)新的工匠精神和愛國奉獻的科學(xué)家精神,更展現(xiàn)了我國強電磁領(lǐng)域近年來在科技領(lǐng)域重大進展和自立自強創(chuàng)新精神,這對于激發(fā)當(dāng)代學(xué)生科技報國的家國情懷以及使命擔(dān)當(dāng)具有重要的現(xiàn)實意義。*后,該教材的出版,可以滿足電氣工程專業(yè)學(xué)生對于強磁場理論與技術(shù)的學(xué)習(xí)需要,也為強電磁應(yīng)用領(lǐng)域的學(xué)者提供了系統(tǒng)性知識介紹,相關(guān)內(nèi)容對于強電磁裝備與系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)或有啟發(fā),對于推動強磁場技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展大有裨益。
強磁場技術(shù)與應(yīng)用是高等學(xué)校工科電類專業(yè)的一門面向前沿跨學(xué)科選修課,既涉及電類專業(yè)學(xué)生應(yīng)具備的電磁場、電力電子和電磁測量等知識內(nèi)容,同時也關(guān)聯(lián)到材料加工、生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域的交叉應(yīng)用。學(xué)習(xí)這門課程有助于開闊學(xué)生視野,增強適應(yīng)能力和創(chuàng)新能力。本書是新工科暨卓越工程師教育培養(yǎng)計劃電氣工程類專業(yè)系列教材之一,主要闡述強磁場產(chǎn)生技術(shù)及各種應(yīng)用,包括基本原理、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用實例。全書共分9章。第1章磁場技術(shù)基礎(chǔ),主要介紹了物質(zhì)的磁性、磁現(xiàn)象以及電磁技術(shù)的發(fā)展簡史,概述磁場產(chǎn)生技術(shù)與應(yīng)用。第2章超導(dǎo)磁體技術(shù),簡要闡述超導(dǎo)材料和超導(dǎo)磁體基礎(chǔ)知識,超導(dǎo)磁體系統(tǒng)原理與設(shè)計方法,給出了超導(dǎo)磁體的典型應(yīng)用。第3章水冷磁體技術(shù),重點介紹了比特磁體結(jié)構(gòu)與設(shè)計方法,以及相應(yīng)的直流穩(wěn)態(tài)電源供電系統(tǒng)。第4章脈沖磁體技術(shù),闡述非破壞性脈沖磁體的結(jié)構(gòu)﹑耦合分析模型、彈塑性力學(xué)行為及冷卻分析與設(shè)計,并介紹以單匝線圈和磁通壓縮為代表的破壞性脈沖磁體設(shè)計與實例。第5章脈沖電源技術(shù),介紹了電容器、脈沖發(fā)電機和蓄電池等三類脈沖電源系統(tǒng),闡述以實現(xiàn)平頂脈沖強磁場為代表的脈沖強磁場調(diào)控技術(shù)。第6章強磁場電磁參數(shù)測量技術(shù),分析介紹了磁感應(yīng)強度的測量與標定,脈沖大電流和直流測量技術(shù),以及應(yīng)力應(yīng)變、阻抗等磁體狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)。第7章基于洛倫茲力的強磁場應(yīng)用,重點對電磁成形、電磁冶金和電磁制動等三類典型應(yīng)用系統(tǒng)進行闡述。第8章基于磁場力/力矩的強磁場應(yīng)用,以整體充磁、磁靶向、磁控軟體機器人和負磁泳懸浮等四個典型應(yīng)用為例,闡述相關(guān)磁場技術(shù)原理、設(shè)計及應(yīng)用情況。第9章其他磁場應(yīng)用,圍繞磁熱效應(yīng)、磁生物效應(yīng)及第Ⅱ類超導(dǎo)體的量子化磁通釘扎效應(yīng)等,介紹了磁制冷、經(jīng)顱磁刺激和軌道交通磁懸浮三種應(yīng)用系統(tǒng)。磁場技術(shù)與應(yīng)用涵蓋內(nèi)容十分豐富,編者在教材內(nèi)容的選擇上,一方面考慮內(nèi)容的完整性,較為全面地介紹各種磁場系統(tǒng)和應(yīng)用實例;另一方面又有所側(cè)重,以脈沖強磁場及其應(yīng)用為重點,兼顧穩(wěn)態(tài)場的相關(guān)內(nèi)容。本書可作為高等學(xué)校電氣工程專業(yè)的高年級本科生和研究生教材,亦可供強磁場下前沿科學(xué)研究、電磁材料加工、生物電磁等領(lǐng)域的專業(yè)人員參考。本書受湖北高等學(xué)校教學(xué)研究項目基于脈沖強磁場大科學(xué)裝置的課程思政實踐(項目編號:2021042)和湖北高校一流本科課程建設(shè)脈沖強磁場實驗裝置虛擬仿真實驗等項目的資助。本書由華中科技大學(xué)國家脈沖強磁場科學(xué)中心工程技術(shù)團隊在脈沖強磁場實驗裝置國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施多年建設(shè)和運行的實踐基礎(chǔ)上編寫而成,主要內(nèi)容曾在華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院本科生課程磁場技術(shù)與應(yīng)用(20162020年秋季學(xué)期)以及研究生課程強磁場技術(shù)及其工程應(yīng)用(20202022年秋季學(xué)期)中講授并收集意見。正如脈沖強磁場實驗裝置一樣,本書的內(nèi)容及編寫也是由強磁場工程技術(shù)團隊合作完成的:初稿第1章由韓小濤老師編寫,第2章由耿建昭老師編寫,第3章由肖后秀老師、張紹哲老師編寫,第4章由宋運興老師、賴智鵬老師編寫,第5章由張紹哲老師、許赟老師編寫,第6章由韓小濤老師、謝劍峰老師編寫,第7章由韓小濤老師、賴智鵬老師編寫,第8章由曹全梁老師、呂以亮老師編寫,第9章由劉夢宇老師、許赟老師和譚運飛老師編寫,曹全梁和張紹哲老師做了大量前期素材整理工作,全書由韓小濤老師策劃和組編定稿。此外,國家脈沖強磁場科學(xué)中心李亮主任﹑彭濤老師﹑王俊峰老師、丁同海老師、丁洪發(fā)老師、施江濤老師和李瀟翔老師等諸位同仁也對本書提出了很多寶貴意見,強磁場中心的研究生張競文、劉沁瑩、陳威霖、王曾文﹑楊春輝、董芃欣、姜濤﹑陳遙、邱志宇、尹卓磊、巨雨薇和孫宇軒等參與了部分圖表、公式的編輯工作,在此一并致以深切的謝意。強磁場技術(shù)與應(yīng)用涉及多學(xué)科領(lǐng)域,應(yīng)用廣泛,作者水平與經(jīng)驗有限,錯誤和不妥之處在所難免,敬請讀者批評指正。編者2022年6月于華中科技大學(xué)國家脈沖強磁場科學(xué)中心
韓小濤,教授,湖北廣水人,1996年、1999年和2004年,先后獲華中科技大學(xué)本科、碩士和博士學(xué)位,F(xiàn)擔(dān)任國家脈沖強磁場科學(xué)中心常務(wù)副主任,脈沖強磁場實驗裝置控制系統(tǒng)負責(zé)人,入選*新世紀優(yōu)秀人才支持計劃。長期從事強電磁技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域的研究工作,研制了*的脈沖強磁場設(shè)施控制系統(tǒng),開展電磁成形與制造、大功率太赫茲波源及應(yīng)用等強磁場工程應(yīng)用研究,主持國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學(xué)基金面上項目等*項目,獲湖北省科技進步特等獎和國家科技進步一等獎,發(fā)表SCI收錄論文60余篇,授權(quán)發(fā)明專利30余項。
1磁場技術(shù)基礎(chǔ)(1)
1.1磁性起源、磁現(xiàn)象(1)
1.2電磁學(xué)的發(fā)展簡史(7)
1.3磁場的產(chǎn)生技術(shù)(10)
1.4強磁場應(yīng)用(15)
習(xí)題(21)
參考文獻(21)
2超導(dǎo)磁體技術(shù)(23)
2.1超導(dǎo)材料(23)
2.2超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的原理與設(shè)計(34)
2.3超導(dǎo)磁體的應(yīng)用(47)
2.4超導(dǎo)磁體的發(fā)展展望(62)
習(xí)題(63)
參考文獻(63)
3水冷磁體技術(shù)(66)
3.1水冷磁體(66)
3.2穩(wěn)態(tài)強磁場裝置電源系統(tǒng)(80)
習(xí)題(93)
參考文獻(94)
4脈沖磁體技術(shù)(96)
4.1概述(96)
4.2非破壞性脈沖磁體技術(shù)(96)
4.3破壞性脈沖磁體技術(shù)(141)
習(xí)題(148)
參考文獻(148)
5脈沖電源技術(shù)(152)
5.1概述(152)
5.2電容器型電源(153)
5.3脈沖發(fā)電機型電源(166)
5.4蓄電池型電源(172)
5.5脈沖磁場波形調(diào)控(178)
習(xí)題(189)
參考文獻(189)
6強磁場電磁參數(shù)測量技術(shù)(192)
6.1概述(192)
6.2磁感應(yīng)強度的測量與標定(193)
6.3大電流及脈沖高電壓測量技術(shù)(207)
6.4磁體狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)(225)
習(xí)題(230)
參考文獻(230)
7基于洛倫茲力的強磁場應(yīng)用(233)
7.1概述(233)
7.2電磁成形技術(shù)(233)
7.3電磁冶金技術(shù)(247)
7.4電磁制動技術(shù)(257)
習(xí)題(263)
參考文獻(264)
8基于磁場力/力矩的強磁場應(yīng)用(267)
8.1概述(267)
8.2整體充磁技術(shù)(268)
8.3磁靶向技術(shù)(279)
8.4磁控軟體機器人技術(shù)(289)
8.5負磁泳懸浮技術(shù)(296)
習(xí)題(301)
參考文獻(301)
9其他磁場應(yīng)用(305)
9.1磁制冷技術(shù)(305)
9.2非侵入式經(jīng)顱電磁刺激技術(shù)(316)
9.3軌道交通磁懸浮技術(shù)(324)
習(xí)題(333)
參考文獻(334)