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[理学]磁场的描绘实验33.doc

[理学]磁场的描绘实验33

ju艳鞠
2017-10-15 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《[理学]磁场的描绘实验33doc》,可适用于高等教育领域

理学磁场的描绘实验实验磁场描绘二、载流圆线圈及亥姆霍兹线圈磁场的测定了解载流圆线圈的磁场是研究一般载流回路的基础。本实验用感应法测定圆线圈的交流磁场从而掌握低频交变磁场的测定方法。以及了解如何用探测线圈确定磁场方向。【实验目的】(研究载流圆线圈轴线上磁场的分布加深对毕奥萨伐尔定律的理解(掌握感应法测磁场的原理和方法(考查亥姆霍兹线圈的磁场的均匀区【实验仪器】亥姆霍兹线圈、低频信号发生器(或磁场描绘仪专用电源)、万用表(或交流毫伏表)、探测线圈和毫米方格纸等。ZE型磁场描绘仪参数:圆线圈N=匝R=亥姆霍兹线圈距离R=探测线圈N=匝d=D=L=。【实验原理】(载流圆线圈轴线上的磁场分布设圆线圈的半径为R匝数为N在通以电流I时则线圈轴线上一点P的磁感应强度IRNIN,,B,,()(Rx)xR()R式中为真空磁导率x为P点坐标原点在线圈中心(这就是线圈轴线上磁场B与,x的定量关系式((亥姆霍兹线圈轴线上的磁场分布亥姆霍兹线圈是由一对半径R、匝数N均相同的四线圈组成二线圈彼此平行而且共轴线圈间距离正好等于半径R如图所示坐标原点取在二线圈中心联线的中点O(给二线圈通以同方向、同大小的电流I它们对轴上任一点P产生的磁场的方向将一致(P点处的磁感应强度等于在A线圈和B线圈在P点产生的磁感应强度的和应为:x图亥姆霍兹线圈图亥姆霍兹线圈轴线上B曲线xRIRNIRN,,()B,XRRR(x)R(,x)从式()可以看出B是x的函数(很容易算出在x=处和x=R处两点B值的相对差异约为(,在理论上可以证明当二线圈的距离等于半径时在原点O附近的x磁场非常均匀图为B曲线(xR(磁场的测量磁感应强度是一个矢量对它的测量既要测大小又要测方向(测磁场的方法很多在此实验中是用探测线圈去测交变磁场(法拉第电磁感应定律指出处于磁场中的导体回路磁感应电动势的大小与穿过它的磁通量的变化率成正比。因此可以通过测回路线圈中的感应电动势来确定磁场量。如图所示给圆线圈(在此使用亥姆霍兹线圈的一支)通以某一频率的正弦交流电设交流电的峰值为I则电流为如将峰值I改用电流表测得的有效值IIsin,tmme,m由于,因而电流可写成为则圆线圈轴线上任一点P的磁感应强度BI,IIsin,tmee=Bsinωt,其中B为B的峰值mmIN,e()B,mxR()R图磁场测量装置如图将一小的试探线圈置于圆线圈轴线上设试探线圈法线与B的夹角为θ则通过试探线圈的磁通量为,,NSBcos,sin,tm式中S为试探线圈的面积N为它的匝数(感应电动势等于d,,,,,coscosNSBt,,,,m感dt此时显示值U为的有效值所以而用交流毫伏表测量,,感感,NSU,Bcos,m当探测线圈法线与圆线圈轴线方向一致时则,,NS,()U,Bm轴线上任一点测得的U值与圆线圈中心(x=)测得值U之比为,INexR()BUx,mxR,,(),INUBRemR如果测得的U和U值之比符合上式说明式()是正确的,从而可间接加深对毕奥萨伐尔定律的认识。磁场的方向如何来确定呢,磁场的方向本来可以用毫伏表读数量大值时所对应的试探线圈法线方向来表示但是磁通量Φ的变化率最小因此测量方向误差较大当探测线圈转过时磁场方向与探测线圈法线方向相垂直Φ的变化率最大故误差较小(所以我们利用毫伏表读数的量小值来确定磁场的方向(探测线圈的中心底座上有一个小孔配合带有定位针的透明垫片可以用它来确定磁场中待测点的位置。而当毫伏表的读数为最小值时说明通过该线圈的磁力线的条数最少此时线圈两边两个测量孔的连线就可以表示磁场的方向。一般的探测线圈测得的是平均磁场为了测量各点磁场的真实值探测线圈体积越小越好但体积小线圈面积就小感应电动势就很微弱不易测量(探测线圈的设计原理参见本实验“一”中的实验原理。把线圈面积公式代入()式就可以算出探测线圈几何中心处磁感应强度的绝对值U(),Bm,,ND式中,f为交变磁场的频率N为探测线圈的匝数。因此可以用这种测量感应电,,,f动势最大值的方法其中N=匝D=根据()式确定待测点磁感应强度的情况。【实验内容】(测量单只载流圆线圈轴线上的磁感应强度分布将坐标纸恰当剪裁后固定在亥姆霍兹线圈箱面上在坐标纸上标定出O、O及O点的AB位置再标出轴线的方向(轴线上中心点的位置:单只线圈的中心点在待测线圈两个侧面的中间亥姆霍兹线圈中心点在两只线圈的中间。以中心点为始点沿轴线每隔标出一点作为轴线上磁感应强度分布的测量点约须个点。按图接线将音频信号发生器(使用功率输出端)、线圈A和晶体管万用表(使用毫安挡)组成串联电路,信号频率取(kHz电流I(mA)适当取值(例如取(mA)(将探测线圈接到晶体管万用表的交流毫伏挡(或量程)(mV置探测线圈于中心点上水平缓慢转动使线圈保持在毫伏表读数最大的位置细调信号发生器输出电压使毫伏表读数达mV或mV记下此时探测线圈的位置和毫伏表的读数值。保持上述信号发生器的输出电压将探测线圈依次移到其他的测量点上缓慢转动使毫伏表的度数达到最大分别记录各点的位置及毫伏表的读数(感应电动势的最大值)。绘制()L图线即UL图线并进行分析。UBBmmmm描绘单只线圈的磁力线在探测线圈的底座上有两个小眼可以插定位针这两个小眼的连线方向与探测线圈的法线方向垂直。如果探测线圈线度相对于待测磁场足够小在感应电动势最小时两孔连线可以看作近似在一条磁力线上。在坐标纸上以中心点为起点(垂直于轴线)沿线圈径向每隔标出一点作为描绘磁力线其始点需描绘条。描绘磁力线时将探测线圈放在坐标纸上笔形定位针通过探测线圈的小孔插进线圈径向方向的第一个测量孔内开始描绘过这个测试孔的磁力线。方法是以此孔为中心旋转探测线圈直至毫伏表为极小值为止将笔形定位针拔出(注意:不能改变探测线圈的位置)插入探测线圈对面的测量孔中在坐标纸上扎出第二个孔。然后再以目前的第二孔为中心转动探测线圈找感应电动势的最小值在毫伏表为极小值把笔形定位针拔出扎到对面找到第三个孔。如图。重复上述步骤。这样周而复始的连续做下去便可在图纸上留下一系列的小针眼。每两个针眼的连线的中心即为探测线圈的几何中心也就是磁力线的切点。光滑的连接这些切点即可描绘出一条磁力线。但因探测线圈针眼间距远小于磁力线的曲率半径故作图时只要光滑地连接针眼即可。用同样方法可以描绘过其它点的几条磁力线。图描绘磁力线实验要求在的象限内测画三条磁力线线间分布尽量均匀并能覆盖,图纸平面(测量亥姆霍兹线圈轴线上的磁感应强度分布类似实验内容记录亥姆霍兹线圈轴线上的各点的感应电动势的最大值绘制()L图线即UUL图线并进行分析比较。BBmmmm,B亥姆霍兹线圈中,匀强区的描绘,描画其磁力线,B调节音频振荡器的输出电压使亥姆霍兹线圈中心处最大的感应电压为mV描绘亥姆霍兹线圈中心附近、最大感应电压在()mV范围内的区域即偏差不超过,的均匀区【数据记录与处理】(测量单只载流圆线圈轴线上的磁感应强度分布单只线圈的中心点在待测线圈两个侧面的中间亥姆霍兹线圈中心点在两只线圈的中间。以中心点为始点沿轴线每隔标出一点作为轴线上磁感应强度分布的测量点约须个点用毫伏表和探测线圈测量各测试点感应电动势的值。绘制()L图线即UL图线并进行分析。UBBmmmm(描绘单只线圈的磁力线以中心点为起点(垂直于轴线)沿线圈径向每隔标出一点作为描绘磁力线其始点需描绘条。实验要求在的象限内测画三条磁力线线间分布尽量均匀并能覆盖,图纸平面((测量亥姆霍兹线圈轴线上的磁感应强度分布类似实验内容记录亥姆霍兹线圈轴线上的各点的感应电动势的最大值绘制)L图线即UL图线并进行分析比较。(UBBmmmm,B(亥姆霍兹线圈中,匀强区的描绘,描画其磁力线,B【注意事项】(探测线圈的导线易折断使用时要特别当心避免只朝一个方向转动。(实验结束后将万用表拨至交流电压最高档并关掉电源。【思考题】(感应法测场的基本原理是什么(描绘磁力线时是测定磁感应强度的方向还是其大小,(如何用简单的实验方法判断亥姆霍兹线圈的两线圈是同向串联的,

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