(大学物理实验)磁场测量与描绘实验指导书

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1、N匝探测戋圈法线方向磁场测量与描绘实验指导书在工业生产和科学研究的许多领域都要涉及到磁场测量问题，如磁探矿、地质勘探、磁性材料研制、磁导航、同位素分离、电子束和离子束加工装置、受控热核反应以及人造地球卫星等。近三十多年来，磁场测最技术发展很快，目前常用的测量磁场的方法有十多种，较常用的有电磁感应法、核磁共振法、崔尔效应法、磁通门法、光泵法、磁光效应法、磁膜测磁法以及超导量子T•涉器法等。每种方法都是利用磁场的不同特性进行测量的，它们的粹度也各不相同，在实际工作中将根据待测磁场的类型和强弱來确定采用何种方法。本实验仪采用电磁感应法测量通有交流电的螺线管产生的交变磁场，通过这个实验掌握低频交变磁场

2、的测量方法，加深对法拉第电磁感应定律和毕奥一萨伐尔定律的理解及对交变磁场的认识。一、实验目的1•学习交变磁场的测量原理和方法。2.学习用探测线圈测量交变磁场屮各点的磁感应强度。3.掌握载流直螺线管轴线上各点磁场的分布情况。4.了解螺线管周围磁场的分布及其描绘方法。5.加深理解磁场和电流的相互关系。二、实验原理1.交变磁场的测虽原理当导线屮通有交变电流时，其周围空问就会产生交变磁场。当直螺线管通过电流时，在螺线管内就产生磁场。如果通过的电流是交变电流，则产生的磁场就是交变磁场。在交变磁场中各点的磁感应强度是随吋间变化的，我们一•般用磁感应强度的有效值來描述磁场。交变磁场的测量可以用探测线圈和交流

3、数字毫伏表组成的闭合回路进行测量。将探测线圈置于被测的磁场中，则根厂、.据法拉第电磁感应定律，通过探测线圈的交变磁通在回路中感应出电动势。通过测量此感牛:电动势的大小，就可计算出磁感应强度B的大小和方向。2.B的大小和方向确定通常为了精确测量磁场中某一点的磁感应强度，探测线圈都做得很小，因此线圈平而内的磁场可以认为是均匀的。如图1所示，若线圈的横截而积为S,匝数为N,置于载流螺线管产生的待测交变磁场B中，线圈平面的法线n与磁感应强度B的夹角为则通过该线圈的磁通量0=NSBcos0。设磁感应强度B随时间按正弦规律变化，即B=B()sincot。则磁通量也随时间按正弦规律变化，即0=NScos0B

4、{}sin血。(3)山法拉第电磁感应定律可知，探测线圈中产生的感应电动势为:这个感应电动势可川高内阻交流毫伏表测得，但交流毫伏表显示的是电压有效值，而不是瞬时值，因此测得的感应电动势读数是冇效值或称方均根值，对上式取冇效值，得：£e=Na）Scos0Bl（5）具屮Be为探测线圈所在位登的磁感应强度B的有效值。由（5）式口J知，探测线圈中的感应电动势与线圈放在磁场中的方向与位置冇关。0越小越大，当0=0°时，£乙戢大，即此时毫伏表的指示值达到最大值£加，此时（5）式便成为£em=NgjSBe,从而可以得到磁感应强度B有效值为：匸NcoS（6）由（6）式可知，只要测出感应电动势的最人值£斷，就可知

5、道磁感应强度Be的有效值。测最的具体方法是：测屋时把探测线圈放在待测点，用手慢慢转动探测线圈的方位，直到交流毫伏表指示达到最大值，此时的读数即为£em,代入（6）式，即可求出该点的B.磁感应强度是一个矢量，不仅有大小，而且有方向。由上面分析可知，当交流毫伏表指示达到最大值时，探测线圈平面的法线磁感应强度B的夹角为0°,即线圈法线方向和磁场方向在同一直线上。但用这种方法确定磁场方向精度不高，因为師与cos&成正比，在0=0°附近乞变化不明显。而在&=90°附近变化较显著，因此，可以慢慢转动探测线圈的方位，使交流毫伏表指示为0,此时该点磁场的方向在与线圈法线垂直的方向上。应该指出，由于磁感应强度是

6、正弦规律变化的，因此当磁感应强度处于正半周时，磁场方向为正方向，当磁感应强度处丁•负半周时，磁场方向为原来方向的反方向。1.探测线圈的设计实验中由于磁场的不均匀性，探测线圈乂不可能做得很小，否则会影响测虽灵敏度，一般设计的线圈长度L和外径D冇L二d的关系，线圈的内径d与外径D冇的关系（木实验选D=16mm,33N=800匝）。线圈在磁场中的等效面积，经过理论计算，可用S=—tiD2來衣示。这样的线圈测得的平108均磁感应强度可看成是线圈中心点的磁感应强度。本实验励磁电流由市电通过降压变压器供给，因此交变磁场的频率为50Hzo4.螺线管线圈轴线上磁感应强度的理论计算如图2所示，当交变电流通过螺线

7、管线圈吋，且当电流频率不太高吋，恒定电流产生的磁感应强度相等。根据毕奥一萨伐尔定律，螺线管线圈轴线上任一点的磁感应强度其中心的磁感应强度近似为B。=今nl（cos02-cos0］）螺线管线圈左侧轴线上的磁感应强度（=90°）Bq=今"/（COS02-cos卩）=牛洛COS02=牛7?(7)磁感应强度的有效值为厂+（#）2(8)(9)式iI1a）=4^x10-7N/A2^真空屮的磁导率，n为螺线管单