測(cè)螺線管磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、測(cè)螺線管磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)原理圖1 圖1是一個(gè)長(zhǎng)為2l，匝數(shù)為N的單層密繞的直螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)。當(dāng)導(dǎo)線中流過電流I時(shí)，由畢奧薩伐爾定律可以計(jì)算出在軸線上某一點(diǎn)P的磁感應(yīng)強(qiáng)度為式中，為單位長(zhǎng)度上的線圈匝數(shù)，R為螺線管半徑，x為P點(diǎn)到螺線管中心處的距離。在SI單位制中，B的單位為特斯拉（T）。圖1同時(shí)給出B隨x的分布曲線。 磁場(chǎng)測(cè)量的方法很多。其中最簡(jiǎn)單也是最常用的方法是基于電磁感應(yīng)原理的探測(cè)線圈法。本實(shí)驗(yàn)采用此方法測(cè)量直螺線管中產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)。下圖是實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。 圖2當(dāng)螺線管A中通過一個(gè)低頻的交流電流i(t) = I0sint時(shí)，在螺線管內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)與電流成正比的交變磁場(chǎng)B(t) = Cpi

2、(t) = B0sint其中Cp是比例常數(shù)，把探測(cè)線圈A1放到螺線管內(nèi)部或附近，在A1中將產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，其大小取決于線圈所在處磁場(chǎng)的大小、線圈結(jié)構(gòu)和線圈相對(duì)于磁場(chǎng)的取向。探測(cè)線圈的尺寸比較小，匝數(shù)比較多。若其截面積為S1，匝數(shù)為N1，線圈平面的法向平面與磁場(chǎng)方向的夾角為，則穿過線圈的磁通鏈數(shù)為: = N1S1B(t)cos根據(jù)法拉第定律，線圈中的感生電動(dòng)勢(shì)為：通常測(cè)量的是電壓的有效值，設(shè)E(t)的有效值為V，B(t)的有效值為B，則有，由此得出磁感應(yīng)強(qiáng)度：其中r1是探測(cè)線圈的半徑，f是交變電源的頻率。在測(cè)量過程中如始終保持A和A1在同一軸線上，此時(shí)，則螺線管中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為在實(shí)驗(yàn)裝置中，在待

3、測(cè)螺線管回路中串接毫安計(jì)用于測(cè)量螺線管導(dǎo)線中交變電流的有效值。在探測(cè)線圈A1兩端連接數(shù)字毫伏計(jì)用于測(cè)量A1中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值。 使用探測(cè)線圈法測(cè)量直流磁場(chǎng)時(shí)，可以使用沖擊電流計(jì)作為探測(cè)儀器，同學(xué)們可以參考沖擊電流計(jì)原理設(shè)計(jì)出測(cè)量方法。測(cè)螺線管磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1研究螺線管中磁感應(yīng)強(qiáng)度B與電流I和感生電動(dòng)勢(shì)V之間的關(guān)系，測(cè)量螺線管中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。2測(cè)量螺線管軸線上的磁場(chǎng)分布。測(cè)螺線管磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀器圖 1 : 測(cè)量螺線管內(nèi)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置全貌測(cè)量螺線管內(nèi)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀器包括：銅導(dǎo)線螺線管、霍爾元件（軸向磁場(chǎng)探針）、（毫）特斯拉計(jì)、電流源。圖 2 : 銅導(dǎo)線螺線管圖 3 : 霍爾元件（軸向磁場(chǎng)探針）上圖為軸向磁場(chǎng)

4、探針，伸入螺線管中用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，探針的另一端接在特斯拉計(jì)之上，由特斯拉計(jì)給出磁場(chǎng)強(qiáng)度的讀數(shù)。 圖 4 : （毫）特斯拉計(jì)給出磁場(chǎng)強(qiáng)度的讀數(shù)。與測(cè)量直流導(dǎo)體外磁場(chǎng)中使用的特斯拉計(jì)相似。 圖 5 : 電流源為銅導(dǎo)線螺線管供電，產(chǎn)生磁場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)1掌握探測(cè)線圈法測(cè)量交變磁場(chǎng)的方法。2測(cè)量螺線管軸線上的磁場(chǎng)分布。3加深理解電磁感應(yīng)定律及磁場(chǎng)的特征。實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)1探測(cè)線圈法測(cè)量磁場(chǎng)的線路設(shè)計(jì)與連接，包括單刀雙擲開關(guān)及交流毫伏計(jì)的使用。2低頻信號(hào)發(fā)生器的使用。3互感現(xiàn)象的觀察及線路設(shè)計(jì)。操作指導(dǎo)一、主窗口在系統(tǒng)主界面上選擇“螺線管磁場(chǎng)及其測(cè)量實(shí)驗(yàn)”并單擊，即可進(jìn)入本仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，顯示平臺(tái)主窗口實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景，

5、看到實(shí)驗(yàn)臺(tái)和實(shí)驗(yàn)儀器。二、主菜單 在主窗口上單擊鼠標(biāo)右鍵，彈出主菜單。主菜單下還有子菜單。鼠標(biāo)左鍵單擊相應(yīng)的主菜單項(xiàng)或子菜單項(xiàng)，則進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)部分（圖1）。圖1實(shí)驗(yàn)應(yīng)按照主菜單的條目順序進(jìn)行。1實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介 選擇主菜單的“簡(jiǎn)介”并單擊可打開實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介文檔（圖2）。圖2 鼠標(biāo)移到上面藍(lán)條處將顯示操作提示，雙擊即可返回實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。2實(shí)驗(yàn)儀器 選擇主菜單的“實(shí)驗(yàn)儀器”并單擊可打開實(shí)驗(yàn)儀器文檔，操作與查看實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介完全類似。3實(shí)驗(yàn)原理 包括子菜單項(xiàng)“實(shí)驗(yàn)原理一”和“實(shí)驗(yàn)原理二”。 選中“實(shí)驗(yàn)原理”的“實(shí)驗(yàn)原理一”子菜單項(xiàng)并單擊，將顯示實(shí)驗(yàn)原理一，如圖3。圖3 用鼠標(biāo)操作滾動(dòng)條，可使畫面上下滾動(dòng)。 鼠標(biāo)移到上面

6、藍(lán)條處將顯示操作提示，雙擊可返回實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 選擇“實(shí)驗(yàn)原理”的“實(shí)驗(yàn)原理二”子菜單項(xiàng)并單擊，將顯示實(shí)驗(yàn)原理二，與“實(shí)驗(yàn)原理一”操作相同。4實(shí)驗(yàn)接線選擇“接線”并單擊進(jìn)入接線界面。本實(shí)驗(yàn)中晶體管毫伏表讀數(shù)會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生漂移，所以做本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是要對(duì)晶體管毫伏表經(jīng)常短路調(diào)零以消除誤差。為方便計(jì)，宜加一單刀雙擲開關(guān)。正確接線圖（不止一種）可參見圖4。圖4 接線時(shí)選定一個(gè)接線柱，按住鼠標(biāo)左鍵不放拖動(dòng)，一根直導(dǎo)線即從接線柱引出。將導(dǎo)線末端拖至另一個(gè)接線柱釋放鼠標(biāo)，即可連接這兩個(gè)接線柱。刪除兩個(gè)接線柱的連線，可將這兩個(gè)接線柱重新連接一次。 接線完畢單擊鼠標(biāo)右鍵彈出菜單，選擇“接線完畢”來判斷接線是否正確，接

7、線正確后才能開始實(shí)驗(yàn)。選擇“重新接線”可刪除所有導(dǎo)線。5實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 接線正確后此菜單項(xiàng)才會(huì)有效。此菜單包括子菜單項(xiàng)“內(nèi)容一”、“內(nèi)容二”和“內(nèi)容三”。單擊子菜單項(xiàng)“內(nèi)容一”即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖5。圖5儀器的基本操作方法 (1) 旋鈕的操作方法：所有的旋鈕，其操作方法是一致的，即：用鼠標(biāo)右鍵單擊，則旋鈕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；用鼠標(biāo)左鍵單擊，則旋鈕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。包括旋鈕“輸出調(diào)節(jié)”，“調(diào)零旋鈕”，以及頻率調(diào)節(jié)。 (2) 按鈕的操作方法：用鼠標(biāo)左鍵單擊即可按下或彈起按鈕。包括“衰減”和“頻率倍乘”按鈕。 (3) 撥動(dòng)開關(guān)的操作方法：操作非常簡(jiǎn)單，用鼠標(biāo)左鍵單擊開關(guān)即可改變開關(guān)的狀態(tài)。 (4) 探測(cè)線圈

8、的粗調(diào)和細(xì)調(diào)，單刀雙擲開關(guān)的操作和旋鈕的調(diào)節(jié)一樣。 (5) 毫伏表“量程”的調(diào)節(jié)和開關(guān)的操作一樣。 (6) 單刀雙擲開關(guān)的刀打到左邊是調(diào)零位置，可調(diào)節(jié)“調(diào)零旋鈕”調(diào)零；打到中間是斷路位置；打到右邊是測(cè)量位置，可以測(cè)量電路的電壓。 在此界面的上部單擊鼠標(biāo)右鍵將彈出主菜單，做完實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一后選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容三繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)時(shí)點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)參數(shù)”可打開實(shí)驗(yàn)參數(shù)文檔，雙擊其上的藍(lán)條關(guān)閉此文檔；點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)內(nèi)容”打開實(shí)驗(yàn)內(nèi)容文檔，雙擊其上的藍(lán)條關(guān)閉此文檔；實(shí)驗(yàn)時(shí)按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容文檔的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)記錄及處理”打開數(shù)據(jù)處理窗口，將測(cè)量數(shù)據(jù)記錄到相應(yīng)的位置，數(shù)據(jù)處理窗口如圖6。圖6 輸入數(shù)據(jù)時(shí)在所要輸入的空格處單擊鼠標(biāo)左鍵，再用鍵盤輸入數(shù)據(jù)即可。 畫線時(shí)先在坐標(biāo)圖上單擊鼠標(biāo)左鍵描點(diǎn)，描點(diǎn)完畢點(diǎn)擊“畫線”可畫線，