2025年探究螺线管磁感应强度分布实验研究.docxVIP

图2

测螺线管磁场———试验原理

图1

图1是一种长为21,匝数为N的单层密绕的直螺线管产生的磁场。当导线中流过电流I时，由毕奥一萨伐尔定律可以计算出在轴线上某一点P的磁感应强度为

式中所=4x×10-N/A2为单位长度上的线圈匝数，R为螺线管半径，x为P点到螺线管中心处的距离。在SI单位制中，B的单位为特斯拉(T)。图1同步给出B随x的分布曲线。

磁场测量的措施诸多。其中最简朴也是最常用的措施是基于电磁感应原理的探测线圈法。本试验采用此措施测量直螺线管中产生的交变磁场。下图是试验装置的试验装置的示意图。

当螺线管A中通过一种低频的交流电流i(t)=Iosinwt时，在螺线管内产生一种与电流成正比的交变磁场B(t)=Ci(t)=Bosinwt其中C是比例常数，把探测线圈A1放到螺线管内部或附近，在A1中将产生感生电动势，其大小取决于线圈所在处磁场的大小、线圈构造和线圈相对于磁场的取向。探测线圈的尺寸比较小，匝数比较多。若其截面积为S1,匝数为N1,线圈平面的法向平面与磁场方向的夹角为θ,则穿过线圈的磁通链数为：

ψ=N?S?B(t)cosθ

根据法拉第定律，线圈中的感生电动势为：

一般测量的是电压的有效值，设E(t)的有效值为V,B(t)的有效值为B,则有V=MSracos

由此得出磁感应强度：

其中r?是探测线圈的半径，f是交变电源的频率。在测量过程中如一直保持A和A?在同一轴线上，此时cosθ=1,,则螺线管中的磁感应强度为

在试验装置中，在待测螺线管回路中串接毫安计用于测量螺线管导线中交变电流的有效值。在探测线圈A?两端连接数字毫伏计用于测量A?中感应电动势的有效值。

使用探测线圈法测量直流磁场时，可以使用冲击电流计作为探测仪器，同学们可以参照冲击电流计原理设计出测量措施。

测螺线管磁场———试验内容

1.研究螺线管中磁感应强度B与电流I和感生电动势V之间的关系，测量螺线管中的磁感应强度。

2.测量螺线管轴线上的磁场分布。

测螺线管磁场———试验仪器

图1:测量螺线管内磁场试验装置全貌

测量螺线管内磁场试验仪器包括：铜导线螺线管、霍尔元件(轴向磁场探针)、(毫)特斯拉计、电流源。

图2:铜导线螺线管

图3:霍尔元件(轴向磁场探针)

上图为轴向磁场探针，伸入螺线管中用于测量磁场强度，探针的另一端接在特斯拉计之上，由特斯拉计给出磁场强度的读数。

covPDsTION

两sT

200

20

mT

aupUT

2000

图4:(亳)特斯拉计

给出磁场强度的读数。与测量直流导体外磁场中使用的特斯拉计相似。

0

0000

240W

U

图5:电流源

为铜导线螺线管供电，产生磁场。

试验重点

1.掌握探测线圈法测量交变磁场的措施。

2.测量螺线管轴线上的磁场分布。

3.加深理解电磁感应定律及磁场的特性。

试验难点

1.探测线圈法测量磁场的线路设计与连接，包括单刀双掷开关及交流毫伏计的使用。

2.低频信号发生器的使用。

3.互感现象的观测及线路设计。

操作指导

一、主窗口

在系统主界面上选择“螺线管磁场及其测量试验”并单击，即可进入本仿真试验平台，显示平台主窗口——试验室场景，看到试验台和试验仪器。

二、主菜单

在主窗口上单击鼠标右键，弹出主菜单。主菜单下尚有子菜单。鼠标左键单击对应的主菜单项或子菜单项，则进入对应的试验部分(图1)。

图1

试验应按照主菜单的条目次序进行。

1.试验简介

选择主菜单的“简介”并单击可打开试验简介文档(图2)。

图2

鼠标移到上面蓝条处将显示操作提醒，双击即可返回试验平台。

2.试验仪器

选择主菜单的“试验仪器”并单击可打开试验仪器文档，操作与查看试验简介完全类似。

3.试验原理

包括子菜单项“试验原理一”和“试验原理二”。

选中“试验原理”的“试验原理一”子菜单项并单击，将显示试验原理一，如图3。

图3

用鼠标操作滚动条，可使画面上下滚动。

鼠标移到上面蓝条处将显示操作提醒，双击可返回试验平台。

选择“试验原理”的“试验原理二”子菜单项并单击，将显示试验原理二，与“试验原理一”操作相似。

4.试验接线

选择“接线”并单击进入接线界面。本试验中晶体管毫伏表读数会随时间产生漂移，因此做本试验的关键是要对晶体管毫伏表常常短路调零以消除误差。为以便计，宜加一单刀双掷开关。对的接线图(不止一种)可参见图4。

图4

接线时选定一种接线柱，按住鼠标左键不放拖动，一根直导线即从接线柱引出。将