电磁场实验指导书

1 2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的场分布与自感一、实验目的研究球形载流线圈(磁通球)的典型磁场分布及其自感参数；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；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()球形载流线圈(磁通球)的磁场分析ii图球形载流线圈(磁通球)图呈轴对称性的计算场域zRd3 W′，应有Rd92R因为，在由球面上面电流密度K所界定的球内外轴对称场域中，没有自由电流的分布,所|||||||||l|m2(N〈t1t29192n2R|lBn1=(N〈t1t29192n2R|lBn1=Bn2)山0Hr1=山0Hr2mr=0H=-VQ=02r)wm2r)w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Qm1和Qm2的解答，然后，最终得磁通球e1m13Rr9和4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：H线分布)ⅰ)球内H为均匀场，其取向与磁通球的对称轴(z轴)一致，即13Rr93Rz1zⅱ)球外H2等同于球心处一个磁偶极子的磁场。()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。现首先分析如图所示位于球表面周向一匝线圈中所交链的磁通0，即Sv的积分求得磁通球自感系数L的理论计算值为90如果外施电源频率足够高，则任何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L便得L的实测值。()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dv5的有效值关系为E2πfN1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认为是均匀的，因此有N11E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)；S为测试线圈的等效截面积(m2)(关于S的计算方()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，如图为霍耳效应。霍耳电压为VhIBfhd是半导体薄片的厚度；hd是半导体薄片的厚度；fl/b是霍耳元件的形状系数。尔效应高斯计，通过安装在探棒端头上的霍尔片，即可直接测得霍尔片所在位置的磁感应强度s恒定磁场(该高斯计使用方法简介参阅附录2)。应指出，在正弦交流激励的时变磁场中，霍尔效应高斯计的磁感应强度平均值读数与由感应电势法测量并计算得出的磁感应强度的有效值之间的关系为B22B0.9B()测量磁通球轴线上磁感应强度B的分布霍耳电压的输出(即高斯计相应的读数最大)，此时，探针面应与磁场线正交。由此可以Bav()探测磁通球外部磁场的分布6ⅰ在5kHz正弦交变电流(I=1A)激励情况下，继续探测磁通球外部磁场的分布。测试表明，磁场分布如同图所示：磁场正交于北极表面；在赤道(r=R，z=0)处，磁场呈切ⅱ在直流(I=1A)激励情况下，应用高斯计重复以上探测磁通球外部磁场分布的实测过程，并定量读出磁通球北极(z=R)处磁感应强度B。()磁通球自感系数L的实测值通过应用示波器读出该磁通球的激磁电压ut和电流it的峰值本实验中，it的波形可由串即可算出其电感实测的近似值L。应指出，以上电压峰值读数的基值可由示波器设定，而电流峰值读数的依据既可来自于数()观察电压、电流间的相位关系应用示波器观察磁通球的激磁电压ut和电流it间的相位关系；()画出沿磁通球轴线B(z)|r=0的分布曲线，并按式或式的解析解，分析讨论理论值与实测值之间的对应关系，以及磁通球内磁场分布的特征；()对磁通球北极处在交流激磁(I=1A)情况下测试线圈和高斯计的读数，以及在直流激磁(I=1A)情况下高斯计的读数，予以比较，并进而给出该处磁感应强度B的实测值与理论值之间的比较；()计算磁通球自感系数L的实测值，并按式由磁通球的设计参数算出自感系数L()对实验内容()所观察的电压、电流间的两种相位关系，给出分析和讨论。五、仪器设备型号、型号、规格无感取样电阻(0.5Ω)2b1.5mm线匝数N=601精心缠绕的线匝模拟了z向具有均匀匝数密度分布的磁通球的设计要求可测量恒定或时变磁场磁通球磁通球激磁电源交流毫伏表测试线圈示波器1111111六、附录7霍耳片的中心位霍耳片的中心位的直径为0.4mm()测试线圈等效截面积的计算测试线圈的轴向剖面图如图drdrRrR1BN1b2所示。由于线圈本身的尺寸很小，故线圈内的磁场分布可rdr的薄圆筒状线匝所包围的轴向磁通为Φ=Bπr2=Hπr20故与该薄筒状线匝所交链的磁通链为2121就可求出测试线圈的磁通链RR-R3112221因此，测试线圈的等效截面积为31122()型高斯计的使用方法(简介)本实验应用的型高斯计配有横向探棒，其结构示意图如图所示。B霍耳片(a)外观图 (b)探棒截面与测试8示G(高斯)、T(特斯拉)或A/m(安米)三种测量单位的选择(前二者对应于磁感应强度B首先，为屏蔽外磁场对探棒零读数的影响，可将探棒插入“零磁通腔”内；然后，可选择自动计自动完成探棒初始读数置零操作。度值。如果被测磁场范围未知时，应选择高量程测试(测量时，对应于G和T的测量单位的选9一、实验目的现象；了解磁悬浮的作用机理及其理论分析的基础知识；在理论分析与实验研究相结合的基础上，力求深化对磁场能量、电感参数和电磁力等知二、实验原理()自稳定的磁悬浮物理现象AAN匝hR2磁悬浮装磁悬浮装置图由盘状载流线圈和铝板相组合构成磁悬浮系统的实验装置，如图由盘状载流线圈和铝板相组合构成磁悬浮系统的实验装置，如图节的扁平盘状线圈的激磁电流由自耦变压器提供，从而在50Hz正弦交变磁场作用下，铝质导板中将产生感应涡流，涡流所产生的去磁效应，即表征为盘状载流线圈自稳定的磁悬浮现象。()基于虚位移法的磁悬浮机理的分析在自稳定磁悬浮现象的理想化分析的前提下，根据电磁场理论可知，铝质导板应被看作为完纯导体，但事实上当激磁频率为50Hz时，铝质导板仅近似地满足这一要求。为此，在本实验装置的构造中，铝质导板设计的厚度b还必须远大于电磁波正入射平表面导体的透入深度d 对于给定悬浮高度的自稳定磁悬浮现象，显然，作用于盘状载流线圈的向上的电磁力必然当通入盘状线圈的激磁电流增大到使其与铝板中感生涡流合成的磁场，对盘状载流线圈作用的电磁力足以克服线圈自重时，线圈即浮离铝板，呈现自稳定的磁悬浮物理现象。现应用虚位移法来求取作用于该磁悬浮系统的电动推斥力。所示盘状载流线圈和铝板的组合看成一个磁系统，则其对应于力状态分析1m2L=0L=0aN2ln()式中，I为激磁电流的有效值。其次，取表征盘状载流线圈与铝板之间相对位移的广义坐标为h(即给定的悬浮高度)，则按虚位移法可求得作用于该系统的电动推斥力，也就是作用于盘状载流线圈的向上的电磁悬浮力ff??Wm=I2=I22在铝板被看作为完纯导体的理想化假设的前提下，应用镜像法，可以导得该磁系统的自感为R作圆形导线时的等效圆半径。从而，由稳定磁悬浮状态下力的平衡关系，即f=If=I2=Mg2dhgm/s2；进一步代入关系式，稍加整理，便可解出对于给定悬浮高度h的磁悬浮状态，系统所激磁电流为2MghI=L0(5)观察自稳定的磁悬浮物理现象从而观察在不同给定悬浮高度h的条件下，起因于铝板表面层中涡流所产生的去磁效应，而导致的自稳定的磁悬浮物理现象；()实测对应于不同悬浮高度的盘状线圈的激磁电流()观察不同厚度的铝板对自稳定磁悬浮状态的影响分别在厚度为14mm和厚度为2mm的两种铝板情况下对应于相同的激磁电流(如I=20A取相应的悬浮高度h的读数，且用手直接感觉在该两种铝板情况下铝板底面的温()基于厚度为14mm的铝板情况下悬浮高度h与激磁电流I的相应读数，给出实测值与理论分析结果之间的比较，并讨论其相互印证的合理性。应指出，本实验中采用的是N=匝的扁平盘状线圈，而不是单匝的圆形线圈，其绕制1212算模型中，N表征的是圆形线圈的集中线匝数，但现盘状线圈的线匝呈分布形态，因此在理论分析中所得L仅为估算值。0(2)根据观察所得不同厚度铝板对自稳定磁悬浮状态的影响，以电磁波正入射平表面导体的透入深度d=y为依据，分析讨论铝板的不同厚度对磁悬浮现象影响的物理本质。五、仪器设备型号、型号、规格N=匝2(1)厚度b=14mm(2)厚度b=2mm盘状线圈铝质导板11111一、实验目的；了解静电除尘的作用机理及其理论分析的基础知识；了解工程上提高静电除尘效率的方法。二、实验原理(1)静电除尘的物理现象及其作用机理泡沫塑料粒子入口内电极1，细圆导线状制成的电极；2，芒刺状结构的电极.外电极图静电除尘装置由线状内电极与圆柱形外电极同轴组合构成的静电除尘实验装置，如图所示。当该系统内外电极间电位差升高时，因为内电极导线很细，是系统最大电场强度所在处，故提高该导线电压将导致其周围空气电离并易造成电击穿，即发生电晕放电。空气在电晕放电状态下的电场作用下，将产生成对的正、负离子，其中一些正离子顺着电场线到达外电极。此时，若引入烟尘源，则当烟尘微粒进入离子导电区时，离子撞击到微粒表面，即令微粒带电。这样，微粒本实验还可用泡沫塑料粒子替代烟尘，观察微粒运动，则静电除尘物理现象的表征更为明将趋向外电极并被吸附在外电极上，而一旦电场不复存在，则微粒很快下落。但应注意，该微粒是良好的绝缘体，其所带电荷泄漏的时间较长，这样，当外电场不存在时，仍能保留部分电荷，因而它们将能在一段时间内继续