螺线管内磁场的测量

1、8实验九 螺线管内磁场的测量在工业、国防和科学研究中经常要对磁场进行测量例如在粒子回旋加速器、受控热核反 应、同位素分离、地球资源探测、地震预测和磁性材料研究 等方面。测量磁场的方法较多从测量原理上大体可以分为五 类力和力矩法、电磁感应法、磁传输效应法、能量损耗法、 基于量子状态变化的磁共振法。常用的测量方法主要有冲击 电流计法霍尔元件法、核磁共振法和天平法。练习一 用冲击电流计法测量螺线管内磁场【实验目的】1学习用冲击法测量磁感应强度的原理和方法2学会使用冲击电流计 3研究长直螺线管内轴线上的磁场分布4对比螺线管轴线上磁场的测量值与理论值加深对毕奥萨伐尔定律的理解。【实验仪器】冲击电流计、螺

2、线管磁场测量仪、直流电源、直流电流表、电阻箱、滑线变阻器。 【实验原理】1.长直螺 线管轴线上的磁场 如图5.9.1所示设螺线管长为L半径为r0 表面均匀地绕有 N匝线圈放在磁导率为卩的磁介质中并通以电流I。如果在螺线管上取一小段线圈dL则可看作是通过电流为INdL/L的圆形载流线圈。由毕奥萨伐尔定律得到在螺 线管轴线上距离中心0为x的P点产生的磁感应强度 dBx为3202rrLINdLdBx 5.9.1 图5.9.1长直螺线管轴的结构图 OP2LLxOr21dLdBxrd 由图 5.9.1 可知 OsinrrsinrddL 代入式 5.9.1得到dLy INdBxsin2 5.9.2因为螺线

3、管的各小段在P点的磁感应强度方向均沿轴线向左故整个螺线管在P点产生的磁感应强度 21coscos2sin22121LNIdLNIdBBx 5.9.3 由图 5.9.1 可知 5.9.3 式还可以表示为 212022120222222rxLxLrxLxLLNIBx 5.9.4 令 x0 得到螺线管 中点 O 的磁感应强度 2120204rLNIB 5.9.5 令 xL/2 得到螺线 管两端面中心点的感应强度2122202LNIBLr 596 当L>r0时由式5.9.5和式5.9.6可知BL/2B0/2。只要螺线管的比值 L/r0 保持不变则不论螺线管放大或缩小也不论线圈的匝数 N 和电流

4、I 为多少磁感应强度相对值沿螺线管轴的分布曲线不 改变。 2. 用冲击电流计测量磁场的原理 如图 5.9.2 所示设 探测线圈匝数为n平均截面为S线圈的法线与磁场方向一致 当K1倒向一边使螺线管中通过电流的I。当K1突然断开时螺线管内的磁通突然改变探测线圈中的感应电流 i 通过冲击 电流计 G 若测出在短时间内的脉冲电流所迁移的电量就可 求得该点的 Bx 值。由法拉第电磁感应定律可知在探测回路 中产生感应电动势 ddt 5.9.7 设探测回路的总电阻为 R 则通 过冲击电流计的瞬时感应电流为 1diRdt 5.9.8 图 5.9.2 测量 螺线管内磁场电路图 GA-1R2RgR1KER 在磁通

5、变化的时间 内通过冲击电流计的总电量 0000111dQidtdtdRdtRR 5.9.9 实验时把通过螺线管的电流由 I 突变为 0 即把 K1 断开使磁 通量发生改变则有 0t 时 0xBnSt0 代入 5.9.9 式有 xBnSQR 5.9.10 因此只需测量出 R 及 Q 就可以算出 Bx。 Q 值可以通 过 DQ-3/4 型智能冲击电流计直接测出为了测出探测回路的 总电阻为 R 使用图 5.9.3 中的标准互感器 M 为互感系数来测 定仪器将标准互感器的次级线圈串联在探测回路中以保证 测量 R 与 Bx 时探测回路的电阻值一样。当标准互感器的初 级线圈上有 dI 的电流变化时则在次级

6、线圈上产生感应电动 势 ddIMdtdt 5.9.11 次级线圈回路中的感应电流为 MdIiRRdt 5.9.12 如果 K 断开初级回路中电流从 I0 突变为 0 则在次级回路中通过的总电量为 00000MIMdIMMQidtdtdIIRdtRR 5.9.13 则探测回路的总电 阻 R 为 MQMIR0 5.9.14 把 5.9.14 式代入 5.9.10 式得到 0xMMIQBnSQ 5.9.15 【实验装置】 图 5.9.3 测定内阻的电 路图 G 互感器 LR1243 输入电流 RgR2K2 【实验内容和步 骤】 1. 测量探测回路的总电阻 1 参考 5.9.4 图对实验仪器 进行正确

7、连线 1K 断开。滑线变阻器调到最大值并将设置好 合适的电源输出电压和电流表量程。将开关 K2 倒向一边接 通电源逐渐减小电阻值使流过互感器的初级线圈的电流达 到参考值10。2合上K3。10取4个不同的值对每一个10待 电流稳定后断开 K2 测量并记录电量 QMi 如此反复测量 4 次 最后取其平均值。利用 5.9.14 式计算总电阻 R 值。 2. 测量 螺线管内的磁感应强度 1参考 5.9.4图进行正确连线将 I0 的 电流输入电路连接到 K1 上。选择并固定激励电流 I 改变探 测线圈在螺线管内的位置合上 K3 断开 K1 测量并记录电量 Q 如此反复测量 4 次最后取其平均值。 2 用

8、 5.9.15 式计算螺线 管的磁感应强度 Bx。 3.计算理B与E理B由5.9.4式计算 其中参数由实验室提供。误差 E 的计算如下 100 理理测 BBBE 4. 以 B 为纵坐标 x 为横坐标在同一坐标系中画出 xBx 理与 xBx 测的分布曲线并对误差进行合理分析。 【思考题】 1如果图 5.9.3中次级回路总电阻与探测回路总电阻不一致会 对磁场的测量结果产电流计 A0II 探测线圈参数线径 0.08mm 圈数860匝外径8mm内径4mm长度5mmRn60® 磁通面积 46.04mm2注虚线已连接 3K1L2LK2K1 图5.9.4 HL-III型螺线 管磁场测定仪电路图 生

9、什么样的影响 2 流经探测线圈的电 流如果过大则会对探测线圈产生什么影响 3 测量完次级回 路总电阻 R 之后如果直接将电源电压调节到 20.0V 进行磁场 测量而不是对电流表的量程进行调节会对电流表产生什么 影响 4 本实验中导致实验误差有哪些因素怎样减小实验误 差 【注意事项】 1 冲击电流计输入端所加电压不能大于 50V 或电流不能 40mA 2 初级回路的电流切记不可直接输入次级 回路中 3 换向开关在改变磁通时 “断开 ”应相当迅速但不能 用力过猛 4DQ-3/4 只适应测量单次回零脉冲量。 【附录】 DQ-3/4 智能冲击电流计 冲击电流计主要用于测量短时间放 电脉冲所迁移的电量可

10、用来测量与此相关的物理量如电容 器的电容、电感量和磁感应强度等。 该仪器用 5 位半 LED 数码管显示测量结果数据自动保持直至被下一次的测量数据自动取代量程有两档I.199.99 X0-9库仑H .1999.9 X0-9库仑。 使用方法如下 1 接通电源开关数码管亮预热 15 分钟 2 拨动“量程选择 “选择合适的量程 3“调零开关 ”拨向 “调零 ” 旋动调零旋钮使显示为零或最接近零的数 4 由“调零开关 ” 拨向“测量”仪器处于待测状态 5 如果测量数据多次无变化 则可能死机关闭电源重新启动即可。6若显示“ERRO”则仪器过载应更换大档量并重新调零或减小电路中的电压及 电流使实验正常进行

11、。 7当冲击电量较小显示约在 ±60 nC 以内时误差相对变大这时应更换小档量并重新调零同时增 大电路中的电压及电流使实验正常进行。 练习二 用感应法 测量螺线管内磁场 【实验目的】 1 了解用交变感应法测量 磁场的原理 2 学会测量交变磁场的一种方法 3 学会使用低 频信号发生器和晶体管毫伏表。 【实验仪器】 螺线管磁场 测试仪、低频信号发生器、晶体管毫伏表、电阻箱。【实验原理】 稳恒的电流产生稳定的磁场而交变电流产生的磁 场则是随时间变化的。当载流导线中通以交变电流时其周围 的空间将产生交变磁场。如果在被测磁场的位置安放一小探 测线圈则因穿过它的磁通量发生变化探测线圈将产生感应

12、电动势。如果交变电流的频率较低则探测回路的感抗较小这 时探测回路的阻抗可近似为探测线圈的电阻。测量出探测线 圈的感应电动势的大小就可以确定该处磁场的大小和方向。 因此感应法测磁场的核心是设计一个长度L 和外径 d 比值合理的圆柱形探测线圈使得探测线圈内的平均磁感应强度等于中心点的磁感应强度以确保感应电动势的大小仅由此线 圈中心磁感应强度的变化来决定。 如果有一圆线圈通以均 匀交变电流tllmsin 5916按照毕奥-H戈尔定律在其周围 空间任意一点P激发的磁感应强度 Bt均正比于电流It即有 tBtCItCItBmmsinsin 5.9.17 式中C为比例常数3是交变电流 的角频率 Im、Bm

13、 称为交变电流和磁感应强度的幅值。 在 交变磁场中放入一较小的探测线圈T其法线方向与磁感应强度B之间的夹角为B如图5.9.5所示。T的面积和匝数分别 为S和n则通过T的总磁通量为 tSnBBSnnmsincos 5.9.18由 法拉第定律可知 T 内将产生感应电动势其大小为 ttBnSdtdnmmcoscoscos 5.9.19 式中 cosmmBnS 是感应电动势 的幅值其值可用交流电压表测量。实验中使用内阻高达 1MQ的电子毫伏表测量仅几毫伏的感应电动势所以在探测线圈 内产生的电流只有 10-310-2 微安。由于该电流产生的磁场非 常弱不会对被测量的磁场造成干扰。只要测量仪表有较高的 准

14、确度利用这种方法得到的结果是能够反映被测磁场的实 际情况的。 由于交流电流表的读数是代表有效值所以用交 流毫伏表测量感应电动势的有效值&与&m畐值之间存在关系 coscos212emmeBnSBnS 5.9.20 由 5.9.20 可得 cosnSBee 5.9.21式中Be为有效值。当B0寸则 nSBeeOO或2eoeoBfnS 5.9.22 图 5.9.5 探测线圈示意图 mVTB 式中 f 为交变电流频 率可从低频信号发生器上读出。测量寸在待测点旋转线圈 T电压表测出的最大值即为&。【实验内容与步骤】利用低频信号发生器作为低频低压交流电源用晶体管毫伏表测出 探测线

15、圈的感应电动势求出长直螺线管轴线上的磁场分布 情况。 1按图 5.9.6联接电路。将信号发生器各旋钮和晶体 管毫伏表量程调到适当位置接通电源预热 15 分钟后开始测 量。2将开关K倒向1调节信号发生器的输出频率和幅度。 若已知R的值则由毫伏表的读数&可算出电流Ie & eR/R为了保持磁场稳定必须随时监测电流Ie使£ eR保持不变。3将开关 K 倒向 2毫伏表量程开关旋到 10mV 或 30mV 档。改 变探测线圈在螺线管中的位置读出毫伏表的最大指示值£ ex将£ eX直代入5.9.22式算出各点的磁感应强度 Bex。4自拟 记录表格记录有关参数。

16、 5. 在同一坐标纸上以 x 为横轴 B 为纵轴作出Bx测-x和Bx理-x曲线。比较并分析产生误差 的原因。 【思考题】 1 测量时为什么要旋转探测线圈 T 2 使用探测线圈和毫伏表测量线圈轴线上某点磁感应强度时 如果信号发生器的输出电流振幅增加一倍则探测线圈内的 感应电动势将会怎样变化当输出频率增加一倍时探测线圈 内的感应电动势又将怎样变化 【附录】 DA-16 型晶体管毫 伏表 该表是专门用于测量正弦交流电压有效值的一种电子 仪表它具有较高的灵敏度、稳定度、低噪声电平及高输入电 阻。主要工作特性如下 1测量电压范围100卩V300V其量程 有一个档。2被测电压频率范围20Hz1MHz 3固有误差±3基本频率 1KHz 使用方法如下 a 测量精度以毫伏表表面垂 直放置为准。 b 接通电源待电表摆动数次至稳定后输入线短 接若指针不对零线可以旋动 “零点调整 ”旋钮使指针正对零 线。在