电磁场实验指导书.doc

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1、电磁场实验指导书北京信息科技大学目录实验一球形载流线圈的场分布与自感…………………………………………1实验二磁悬浮……………………………………………………………………7实验三静电除尘…………………………………………………………………10前言结合电磁场课程教学的电磁场实验课是完善教学效果，增进学生对电磁场现象和过程的感性认识，拓展有关电磁场工程应用知识面的重要环节。随着教学改革不断深化的进程,电磁场教学实验在承接大学物理电磁学实验基础上的改进与提高势在必行。根据高等学校电磁场课程教学的基本要求，以电磁场系列实验课开设的需求为依据，我电磁

2、场课程组设计、编写了电磁场实验教学的新内容，并在浙江大学求是公司的共同规划下，由该公司制作完成了第一阶段的三个实验的基本装置和设备，以应当前我国电磁场实验教学的实际需要。实验一：球形载流线圈的场分布与自感一、实验目的1.研究球形载流线圈（磁通球）的典型磁场分布及其自感参数；2.掌握工程上测量磁场的两种基本方法──感应电势法和霍耳效应法；3.在理论分析与实验研究相结合的基础上，力求深化对磁场边值问题、自感参数和磁场测量方法等知识点的理解，熟悉霍耳效应高斯计的应用。二、实验原理图1-2呈轴对称性的计算场域图1-1球形载流线圈（磁通球）i（

3、1）球形载流线圈（磁通球）的磁场分析如图1-1所示，当在z向具有均匀的匝数密度分布的球形线圈中通以正弦电流i时，可等效看作为流经球表面层的面电流密度K的分布。显然，其等效原则在于载流安匝不变，即如设沿球表面的线匝密度分布为W′，则在与元长度对应的球面弧元上，应有因在球面上，，所以代入上式，可知对应于球面上线匝密度分布W′，应有即沿球表面，该载流线圈的线匝密度分布W′正比于，呈正弦分布。因此，本实验模拟的在球表面上等效的面电流密度K的分布为由上式可见，面电流密度K周向分布，且其值正比于。因为，在由球面上面电流密度K所界定的球内外轴对称场

4、域中，没有自由电流的分布,所以,可采用标量磁位jm为待求场量，列出待求的边值问题如下：上式中泛定方程为拉普拉斯方程，定解条件由球表面处的辅助边界条件、标量磁位的参考点，以及离该磁通球无限远处磁场衰减为零的物理条件所组成。通过求解球坐标系下这一边值问题，可得标量磁位jm1和jm2的解答，然后，最终得磁通球内外磁场强度为(1-1)和(1-2)图1-4磁通f的计算用图图1-3场图（H线分布）基于标量磁位或磁场强度的解答，即可描绘出磁通球内外的磁场线分布，如图1-3所示。由上述理论分析和场图可见，这一典型磁场分布的特点是：ⅰ）球内H1为均匀场

5、，其取向与磁通球的对称轴（z轴）一致，即(1-3)ⅱ）球外H2等同于球心处一个磁偶极子的磁场。（2）球形载流线圈自感系数L的分析计算在已知磁通球的磁场分布的情况下，显然就不难算出其自感系数L。现首先分析如图1-4所示位于球表面周向一匝线圈中所交链的磁通f，即然后，便可分析对应于球表面上由弧元所界定的线匝dW所交链的磁通链这样，总磁通链y就可由全部线匝覆盖的范围，即由0到p的积分求得最终得该磁通球自感系数L的理论计算值为(1-4)在实验研究中，磁通球自感系数L的实测值可通过测量相应的电压、电流来确定。显然，如果外施电源频率足够高，则任何

6、电感线圈电阻在入端阻抗中所起的作用可被忽略。此时，其入端电压和电流之间的相位差约等于90°，即可看成一个纯电感线圈。这样，由实测入端电压峰值与电流峰值之比值，即可获得感抗ωL的实测值，由此便得L的实测值。（3）感应电势法测磁感应强度若把一个很小的测试线圈放置在由交变电流激磁的时变磁场中，则根据法拉第电磁感应定律，该测试线圈中的感应电动势(1-5)式中，ψ为与测试线圈交链的磁通链。如果测试线圈的轴线与磁场方向相一致，且磁场由正弦交变电流激励，那末，对应于式(1-5)的有效值关系为由于测试线圈所占据的空间范围很小，故测试线圈内的磁场可近似

7、认为是均匀的，因此有F=BS=m0HS，从而，被测处的磁感应强度(1-6)式中，N1为测试线圈的匝数；图1-5霍尔效应示意图E为测试线圈中感应电势的有效值（V）；B为被测处磁感应强度的有效值（T）；f为正弦交变电流的频率，本实验采用5kHz的交流；S为测试线圈的等效截面积（m2）(关于S的计算方法参阅附录1)。（4）霍耳效应法测磁感应强度霍耳元件被制备成一块矩形(b×l)半导体薄片，如图1-5所示。当在它的对应侧通以电流I，并置于外磁场B中时，在其另一对应侧上将呈现霍耳电压Vh，这一物理现象称为霍耳效应。霍耳电压为(1-7)式中，Rh

8、为霍耳常数，取决于半导体材料的特性；d是半导体薄片的厚度；f(l/b)是霍耳元件的形状系数。由式(1-7)可见，在Rh、d、I、f(l/b)等参数值一定时，VhµB(Bn)。根据这一原理制成的霍尔效应高斯计，通过安装在探