亥姆霍兹线圈磁场分布及其测量

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1、第22卷第3期大学物理实验Vol.22No.32009年09月出版PHYSICALEXPERIMENTOFCOLLEGESep.2009文章编号:1007-2934(2009)03-0033-04亥姆霍兹线圈磁场分布及其测量陈修芳(武汉工业学院,武汉,430023)摘要采用美国PASCO公司生产的“科学工作室”物理实验系统重新设计了亥姆雷兹线圈磁场实验,以定量分析的实验形式,弥补了传统方法测量亥姆霍兹线圈磁场的不足,同时也体现了PASCO科学工作室在实验数据采集方面具有传统方法不可比拟的优点。关键词亥姆霍兹线圈;PASCO中图分类号:O434文献标识码:A与永久磁铁相比,亥姆霍兹

2、线圈所产生的磁场在一定范围内具有一定均匀性,且产生的磁场具有一定的可调性,同时在不通电的情况下不会产生环境磁场。测量亥姆霍兹线圈磁场的传统方法,一般是使用探测线圈配以指针式交流电压表来测量其所产生磁场的磁感应强度。这种方法准确度不高,并且不能实时显示亥姆霍兹线圈磁场的分布规律。针对以往测量磁场方法存在的缺陷,本文采用美国PASCO公司生产的“科学工作室”重新设计该实验,只要把传统的实验装置和相应传感器结合,接到数据采集器上,就可以在电脑显示屏上同步显示磁感应强度及其位置随时间变化的过程,这样既可以实时显示亥姆霍兹线圈磁场的分布规律,又可以准确显示所测空间某一点磁感应强度的大小。1

3、亥姆霍兹线圈磁场分布亥姆霍兹线圈是一对相同的、共轴的、彼此平行的各密绕N匝线圈的圆环电流。当它们的间距正好等于其圆环半径R时,这种圆形载流线圈称为Helmhohz线圈,如图1所示。亥姆霍兹线圈产生磁场的理论根据就是毕奥—萨伐尔定律,即μ0Idƒl׃rdBˆ=3(1)4πr[1]根据毕奥—萨伐尔定律及磁场迭加原理,可以从理论上计算出亥姆霍兹线圈轴线收稿日期:2008-09-20基金项目:武汉工业学院校基金(07Y15)—33—上的磁感应强度为:22μ0IRμ0IRB=3+3(2)222R22R22R++x2R+-x22式中x为两线圈之间任一点的位置。当线圈通有电流I时,两线圈磁场

4、合成如图2所示。图1亥姆霍兹线圈圈2两线圈磁场的叠加从图2可以看出,两线圈之间轴线上磁感应强度在相当大的范围内是均匀的。2亥姆霍兹线圈磁场测量本文采用美国PASCO公司生产的“科学工作室”重新设计该实验,能准确、实时定量地显示亥姆霍兹线圈磁场的分布规律。只要把传统的实验装置和相应传感器结合,接到数据采集器上,就可以在电脑显示屏上同步显示磁感应强度及其位置随时间变化的过程。其特点是,对于一些瞬间变化地物理过程,能够提供过程变化地真实数据,并拟合成曲线,由此进一步拓宽了对物理过程探究的空间。采用“科学工作室”进行实验地流程图如图3。图3PASCO科学工作室结构图具体的操作是:将两个线

5、圈(半径为10.5cm,线圈的匝数为200匝)安装到亥姆霍兹底座上,调整两个线圈间的距离直到和线圈半径相等,并确定这两个线圈是互相平行的,把第二个线圈与第一个线圈串联。越过线圈连上直流电源,连接电源的电线不要从线圈内部穿过。将数字电表,电源和线圈串联在一起(接线时要注意让两通电线圈的磁场方向一致),测量通过线圈的电流。如图4。将光学导轨穿过线圈,并在导轨两端用支撑杆将导轨支撑起来。将导轨置于水平位置,调整导轨高度直到沿着导轨表面推动磁场传感器探头可以恰好通过线圈的中心。用支架将转动传感器固定在导轨上。剪一条足以从导轨垂到地面的细线。细线的一端拴在磁场传感器的一端,另一端穿过转动传

6、感器的中滑轮并系上一个20克的重物。将磁场传感器放置在导轨中间,调整转动传感器的位置让细线对准其中滑轮。将磁场传感器插在科学工作室500的A通道。将转动传感器插在1,2通道。—34—打开直流电源,调整输出电流,当通过线圈电流为0.25安培时,关闭直流电源开关。打开Datastudio程序中名为“线圈的磁场”的文件。将磁场传感器开关设置为轴向,并设置乘以十倍增益,实验开始前电源关闭,将磁场传感器放置在导轨中部并与第一个线圈保持大约5厘米的位置。按下消磁按钮。图4亥姆霍兹线圈磁场装置图打开直流电源。在Datastudio中点击“开始”按钮开始采集通电线圈的磁场及其位置信号,沿着导轨中

7、心缓慢移动磁场传感器,移动过程中要保持探头与导轨平行。当传感器穿过线圈,并离开第二线圈5厘米时,点击“停止”即可获得亥姆霍兹线圈磁场与其位置的关系曲线。图5为亥姆霍兹线圈磁场与其位置的关系曲线。图5亥姆霍兹线圈磁场与其位置的关系曲线赫姆霍兹线圈中心轴匀强磁场的大小N=200;R=10.5cm=0.105m;I=250mA=0.25A8μ-70NI8×4π×10×200×0.25-4B0(理论)===4.27×10T实验值:B0(实验)=55R55×0.105-44.3Gs=4.3