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时间:2018-07-15
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1、实验21非均匀磁场的测量一、实验目的(1)掌握感应法测量磁场的原理(2)测量赫姆霍兹线圈轴线上的磁场强度分布,并画出一条磁力线。二、实验原理磁场的的测量方法有很多,具体采用什么方法决定于被测磁场的类型和强弱。本实验中,我们采用感应法测量非均匀磁场,如图1所示。这种方法是以电磁感应定律ε=-dφdt为基础的:当导线中通有变化的电流,其周围会产生变化的磁场。处在变化磁场中的闭合电路,由于通过它的磁通量发生变化,回路中会有感应电动势产生。通过测量感应电动势的的大小便可测出磁场的量值。磁场是矢量场,在测量磁场时既要测出其大小,还要测出
2、其方向,但实际中,只能测出一小区域中的平均值,很难测出磁感应强度的矢量。若假定有一均匀的交变磁场:B=Bmsinωt公式(1)式中,Bm是磁感应强度的峰值;ω为角频率。置于磁场中探测线圈T(线圈的面积为S,共有N匝)的法线n与Bm之间的夹角为θ,如图1所示。则通过的总磁通量为φ=NS∙B=NSBmsinωtcosθ公式(2)由于磁场是交变的,在线圈中会会出现感应电动势:ε=-dφdt=-NSωBmcosωtcosθ=-εmcosωt公式(3)式中,εm=NSωBmcosθ感应电动势的峰值。将探测线圈T的两条引线接交流毫伏表,则
3、毫伏表的示值将会发生变化,毫伏表显示的有效值与峰值的关系为:U=εm2=NSω2Bmcosθ公式(4)由上式可知:1)当N、S、ω、Bm一定时,角越小,毫伏表的示值越大,反之示值越小。2)当θ=0时,探测线圈的法线方向与磁场的方向一致,毫伏表示值最大为Umax,其值为:Umax=NSω2Bm公式(5)则,Bm=2NSωUmax公式(6)因此,可用毫伏表示值的最大值来确定磁场的大小。3)当θ=π2时,毫伏表示数为零,即U=0,则εm=0由以上结论可知,用下述方法确定磁感应强度的大小和方向比较方便。测量时,将探测线圈放在待测点,用
4、手缓慢移动它,直到毫伏表值达到最大值Umax,由公式(5)可知该处的磁场值Bm。再转动线圈找到毫伏表读数为零时线圈的法线指向,B的方向已定于这一方向垂直。由于公式(5)是用不同线圈在均匀磁场的条件下的出来的。普通线圈只能测出线圈平面内磁感应强度法向分量的平均值,如果磁场分布不均匀,则不能测出非均匀磁场中各点的真实值,除非将线圈做的足够小,但这样会降低测量的灵敏度。为了解决这一矛盾,可设计出一种特殊尺寸的圆柱形探测线圈(外径为D,内径为1/3D,长度为L=2/3D,并选择线圈体积适当小),测得的T平面内的平均磁场与探测线圈的几何
5、中心点的磁场相等。这种探测线圈T有效面积为:S=13108πD2代入公式(6)可计算出线圈几何中心处的磁感应强度的绝对值Bm=2UmaxNSω=2×108Umax13πNωD2公式(7)式中,Umax的单位为伏特;Bm的单位为特斯拉(T);ω=2πf;f为交变场频率(f=50Hz);N为探测线圈的匝数;D为探测线圈的外径。一、实验仪器CC-Y型磁场测绘仪信号源,CC-Y型磁场测绘仪,UT56型数字万用表,毫安表(0-600mA),圆柱形探测线圈(外径为D,内径为d=1/3D,长度为L=2/3D,体积适当小),透明定位垫片,笔形
6、定位针。如图2所示。二、实验内容(1)测定亥母霍兹线圈中心轴线上的磁感应强度分布,画出Umax-x曲线,描绘磁场的分布。(2)从距离轴线3cm处测量一条磁力线。三、实验步骤1、测磁感应分布(1)、将坐标纸恰当剪裁后固定在亥姆霍兹线圈箱面上。(2)、在坐标纸上画出线圈的两条轴线,在轴线上标出中心点O的位置(亥姆霍兹线圈的中心点在两只线圈的中间),先以中心点O为起始点在线圈轴线上每隔2cm标出一点作为轴线上磁感应强度分布的测量点,约需确定12~15个点。(3)、将探测线圈的引线接入万用表的交流接线柱上,选取万用表量程2V。(4)、
7、将CC-Y型磁场测绘仪信号源、CC-Y型磁场测绘仪,毫安表,串联起来,将霍尔线圈的两个线圈连起来。如图2所示。(5)、将探测线圈放在中心点O,若万用表示数为零,则说明两个线圈的产生的磁场相互抵消了,即两线圈的连线方向有误,需改变连接方向。图2(6)、将探测线圈置于放在中心点上的透明垫片上,转动探测线圈,记下万用表上最大的读数。沿轴线方向移动2cm,重复前面的步骤。测出12-15个点。(7)、Umax-x,并进行分析。2、描绘磁力线(1)、在纵轴距离O点3cm处,将定位针插在探测线圈的一个小孔中确定一个测量的起点,使线圈缓缓绕着
8、定位针旋转,找出毫伏表示数最小的位置,保持这个位置,拔出定位针,插入另一小孔中。重复上述操作,便可在坐标纸上画出一系列连续的探测点。六、实验结果不同x处的Umaxx/cm-10-8-6-4-20246810Umax/V0.0950.0980.0990.1000.1000.10
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