第二篇：测螺线管磁场实验报告

测螺线管磁场———实验原理

图1

   图1是一个长为2l，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—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，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同时给出B随x的分布曲线。

    磁场测量的方法很多。其中最简单也是最常用的方法是基于电磁感应原理的探测线圈法。本实验采用此方法测量直螺线管中产生的交变磁场。下图是实验装置的实验装置的示意图。

  

图2

当螺线管A中通过一个低频的交流电流i(t) = I₀sinωt时，在螺线管内产生一个与电流成正比的交变磁场B(t) = C_pi(t) = B₀sinωt其中C_p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、线圈结构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 = N₁S₁B(t)cosθ

根据法拉第定律，线圈中的感生电动势为：

通常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，由此得出磁感应强度：

其中r₁是探测线圈的半径，f是交变电源的频率。在测量过程中如始终保持A和A₁在同一轴线上，此时，则螺线管中的磁感应强度为

在实验装置中，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A₁两端连接数字毫伏计用于测量A₁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，同学们可以参考冲击电流计原理设计出测量方法。

测螺线管磁场———实验内容

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———实验仪器

图 1 :     测量螺线管内磁场实验装置全貌

测量螺线管内磁场实验仪器包括：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。

图 4 :     （毫）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。 

图 5 :     电流源

为铜导线螺线管供电，产生磁场。

实验重点

1．掌握探测线圈法测量交变磁场的方法。

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征。

实验难点

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．互感现象的观察及线路设计。

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实验”并单击，即可进入本仿真实验平台，显示平台主窗口——实验室场景，看到实验台和实验仪器。

二、主菜单

    在主窗口上单击鼠标右键，弹出主菜单。主菜单下还有子菜单。鼠标左键单击相应的主菜单项或子菜单项，则进入相应的实验部分（图1）。

图1

实验应按照主菜单的条目顺序进行。

1．实验简介

    选择主菜单的“简介”并单击可打开实验简介文档（图2）。

图2

    鼠标移到上面蓝条处将显示操作提示，双击即可返回实验平台。

2．实验仪器

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

3．实验原理

    包括子菜单项“实验原理一”和“实验原理二”。

    选中“实验原理”的“实验原理一”子菜单项并单击，将显示实验原理一，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示，双击可返回实验平台。

    选择“实验原理”的“实验原理二”子菜单项并单击，将显示实验原理二，与“实验原理一”操作相同。

4．实验接线

选择“接线”并单击进入接线界面。本实验中晶体管毫伏表读数会随时间产生漂移，所以做本实验的关键是要对晶体管毫伏表经常短路调零以消除误差。为方便计，宜加一单刀双掷开关。正确接线图（不止一种）可参见图4。

图4

    接线时选定一个接线柱，按住鼠标左键不放拖动，一根直导线即从接线柱引出。将导线末端拖至另一个接线柱释放鼠标，即可连接这两个接线柱。删除两个接线柱的连线，可将这两个接线柱重新连接一次。

    接线完毕单击鼠标右键弹出菜单，选择“接线完毕”来判断接线是否正确，接线正确后才能开始实验。选择“重新接线”可删除所有导线。

5．实验内容

    接线正确后此菜单项才会有效。此菜单包括子菜单项“内容一”、“内容二”和“内容三”。单击子菜单项“内容一”即可进入实验内容一进行实验，如图5。

图5

仪器的基本操作方法

    (1) 旋钮的操作方法：所有的旋钮，其操作方法是一致的，即：用鼠标右键单击，则旋钮顺时针旋转；用鼠标左键单击，则旋钮逆时针旋转。包括旋钮“输出调节”，“调零旋钮”，以及频率调节。

    (2) 按钮的操作方法：用鼠标左键单击即可按下或弹起按钮。包括“衰减”和“频率倍乘”按钮。

    (3) 拨动开关的操作方法：操作非常简单，用鼠标左键单击开关即可改变开关的状态。

    (4) 探测线圈的粗调和细调，单刀双掷开关的操作和旋钮的调节一样。

    (5) 毫伏表“量程”的调节和开关的操作一样。

    (6) 单刀双掷开关的刀打到左边是调零位置，可调节“调零旋钮”调零；打到中间是断路位置；打到右边是测量位置，可以测量电路的电压。

    在此界面的上部单击鼠标右键将弹出主菜单，做完实验内容一后选择实验内容二、实验内容三继续实验。

    实验时点击“实验参数”可打开实验参数文档，双击其上的蓝条关闭此文档；点击“实验内容”打开实验内容文档，双击其上的蓝条关闭此文档；实验时按实验内容文档的步骤进行实验，点击“数据记录及处理”打开数据处理窗口，将测量数据记录到相应的位置，数据处理窗口如图6。

图6

    输入数据时在所要输入的空格处单击鼠标左键，再用键盘输入数据即可。

    画线时先在坐标图上单击鼠标左键描点，描点完毕点击“画线”可画线，如描点错误可在错点处再单击鼠标左键即可删除该点，点击“清画布”可删除所有点，点击“返回”返回实验操作界面。

6．实验报告

    选择“实验报告”菜单项并单击，可调用实验报告系统，将前面所得数据记录到实验报告中以备教师检查，具体操作见实验报告说明。

7．退出：退出实验平台。