磁场的描绘实验[
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实验3—9 磁场的描绘
【实验目的】
1(掌握感应法测量磁场的原理和方法。
2(研究载流圆线圈轴向磁场的分布。
3(描绘亥姆霍兹线圈的磁场均匀区。 【实验仪器】
非均匀磁场测量仪,400H交流电源,晶体管毫伏表,探测线圈等。Z
【实验原理】
1(圆电流轴线上的磁场分布
设一圆电流如图3,9,1所示。根据毕奥—萨伐尔定律,它在轴线上某点P的磁感应
强度为
x2,32 (3,9,1)B,B[1,()]0xR
Bx2,32x或 (3,9,2),[1,()]BR0
I,0B,,是圆电流中心(x,0处)的磁感应强度,也是圆电流轴线上磁场的最大值。式中02R
当I、R为确定值时,B为一常数。 0
2(亥姆霍兹线圈的磁场分布
亥姆霍兹线圈是由线圈匝数N、半径R、电流大小及方向均相同的两圆线圈组成(图3
,9,2)。两圆线圈平面彼此平行且共轴,二者中心间距离等于它们的半径R。若取两线圈
中心连线的中点0为坐标原点,则此两线圈的中心O及O分别对应于坐标值及。R2,R2AB
x R R 2 2
x O P BO A0 0 x P R I R I I R B A
图3,9,1 图3,9,2
由于线圈中的电流方向相同,因而它们在轴线上任一点P处所产生磁场同向。按照(3
,9,1)式,它们在P点产生的磁感应强度分别为
2IRN, 0B,AR22322[R,(,x)]2
2IRN,和 0B,BR22322[R,(,x)]2
故P点的合磁场B(x)为
B(x),B,B (3,9,3)AB
在x,0处(即两线圈中点处)
NI,80 (3,9,4)B(0),()32R5
计算表明,当时,B(x)和B(0)间相对差别约万分之一,因此亥姆霍兹线圈能产生x,(R10)
比较均匀的磁场。在生产和科研中,若所需磁场不太强时,常用这种方法来产生较均匀的磁场。
引出线
中心孔
测量孔
垫片
图3,9,3
3(测量磁场的方法
磁感应强度是一个矢量,因此磁场的测量不仅要测量磁场的大小且要测出它的方向。测定磁场的方法很多,本实验采用感应法测量磁感应强度的大小和方向。感应法是利用通过一个探测线圈(如图3,9,3)中磁通量变化所感应的电动势大小来测量磁场。
测量线路如图3,9,4所示。图中A、B是两圆电流线圈;mV是交流毫伏表,它身兼二用,即测圆形线圈电流I的大小,又测感应电压V的大小。当k倒向“5、6”时,就可以测2
量圆形电流I的大小。即有I=V/R=V(因为R=1欧姆);s是磁场描绘仪信号源,输出频率SS
400Hz,测量过程中它的输出电压要保持恒定。
当圆线圈中通入正弦交流电后,在它周围空间产生一个按正弦变化的磁场,其值
。根据(3,9,2)式,在线圈轴线上的x点处,B的峰值B,Bsin,tm
Bm0 B,mxx232[1,()]R
式中B是x,0处的B的峰值。 m0
当把一个匝数为n,面积为S的探测线圈放到x处,设此线圈平面的法线与磁场方向的夹角为θ,则通过它的磁通量为
Φ,nSBcos,,nSBcos,,sin,t (3,9,5)m
在此线圈中产生的感应电动势为
dΦ (3,9,6),,,,,nSB,cos,,cos,t,,,cos,tmmdt
式中是感应电动势的峰值。由于探测线圈输出端与毫伏表相连接,毫伏表,,nSB,cos,mm
测量的电压是用有效值表示,因此毫伏表测得的探测线圈输出电压为
,,nSBmm (3,9,7)cos,V,,22
,由此可见,V随θ(0?θ?)的增加而减少。当θ,0时,探测线圈平面的法线与磁场90
B的方向一致,线圈中的感应电动势达最大值。
nS,Bm (3,9,8),Vmax2
由于n、S及ω均是常数,所以B与V成正比。从而用毫伏表读数的最大值就能测定磁mmax
场的大小。
实验中为减小误差,常采用比较法。在圆电流轴线上任一点x处测得电压值V与圆max
心处V值之比,根据(3,9,8)式及(3,9,2)式 0max
VBxmx2,32max (3,9,9),,[1,()]VBRm0max0
此式表明,和的变化规律完全相同。因此只要实验表明VVBBmax0maxmxm0
Vxmx2,32成立,从而也就
证明
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了毕奥—,[1,()]VRm0
萨伐尔定律的正确性。
磁场的方向如何来确定呢,磁场的方向本来
可用探测线圈输出端毫伏表读数最大时探测线圈
平面的法线方向来确定磁场方向,但是用这种方
法测定的磁场方向误差较大,原因在于这时磁通
量变化率小,所产生感应电动势引起毫伏表的Φ
读数变化不易察觉。如果这时把探测线圈平面旋
,通转,磁场方向与线圈平面法线垂直,那么磁90
量变化率最大。线圈方向稍有变化,就能引起毫
伏表的读数明显变化,从而测量误差较小。因此,
图3—9—4 实验上是以毫伏表读数最小时来确定磁场的方向。
【实验内容】
1(测量载流圆线圈轴向磁场的分布
(1)按图3,9,4连接电路,注意把电压输出调节逆时针旋至最小。磁场描绘仪的“1、
5”端子接400H电源的输出端,“7、8”端子接mV表,k倒向“5、6”端时,mV表测的Z2是圆线圈的电流;倒向“9、10”端,读得的是探测线圈的感应电压。在坐标纸上定出O、A
O及0点的位置,再标出轴线方向。 B
(2)置探测线圈中心孔于前端圆线圈中心点上,水平缓慢转动探测线圈保持在毫伏表读
数最大位置,细调信号源输出电压,使毫伏表读数达10.0mV,记为V值。0
(3)保持信号源输出电压不变,将探测线圈依次移到其它测量点上,缓慢转动探测线圈使毫伏表读数达到最大。沿轴线方向每隔10mm测量一次,数据填入记录表中。
测量载流圆线圈轴向磁场的分布数据: I= (A);R= (mm)
x(mm) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
V(mV)
BV (), 实BV00
3,Bx22 (),[1,()] 理BR0
相对误差
(4)根据记录表数据以x为横坐标,为纵坐标作圆电流沿轴线的磁场分布曲线。VV0
(描绘亥姆霍兹线圈中的磁场均匀区 2
(1)把左右两只线圈串联后接信号源,调节信号源输出电压至8V保持不变。把探测线圈接通毫伏表置于两圆线圈之间的坐标纸上,测出中央一点0的最大感应电压V值。M
(2)用探测线圈在0点周围找出最大感应电压等于V值的各点,由此画出均匀磁场区m
域(须画在实验者自备的坐标纸上)。
【思考题与习题】
1(圆电流轴线上的磁场分布有什么特点,实验中如何测定磁场的大小和方向,
2(亥姆霍兹线圈能产生强磁场吗,为什么,
3(磁场是符合叠加原理的,简述用实验证明的方法和步骤。