实验二十二 用冲击电流计测螺线管内轴线上磁场的分布一 实验目的1. 学习用冲击测磁感应强度的原理和方法;2. 掌握冲击电流计的使用方法.图 1二 仪器和用具冲击电流计,螺线管,电阻箱,滑线变阻器,直流安培表,直流电源,开关等.三 实验原理当螺线管通以电流 I 时,则管内轴线上任意一点的磁感应强度为( )2121ββμο COSCOSnoB ?= (1)式中 0μ 为真空磁导率, 为单位长度线圈的匝数,0n21, ββ 分别为螺线管轴上某一点到两端的张角,如图 1 的示.当螺线管为无限长 时 ( πββ == 2,0 ),1 则 磁 感 应 强 度InB ooO μ=如果螺线管的长度为 ,直径为 2R,取螺线管的中点 O 为 x 轴的在点,那么(1)式可写作Ol2( ) ( ) ????????++++?+?=222221xloRxloxloRxloInB ooμ (2)图 2令 InBnloxmloRoO ομ而== , ,则(2)式可写成( ) ( ) ????????+?++?+?=2222111121nmnnmnBoB (3)或( ) ( ) ????????++++???=2222111121nmnnmnBBO(4)以 n 为横坐标,OBB为纵坐标,如果取三种 m 值,则按(4)式得到的轴线上相对磁场分布如图 2 所示(详细数据见附记).由图可知 m,n 值越小,磁场越均匀,当 ,Rl >>即螺线管口的场强等于中间场强的一半( 1,00==BBx 时 ).用冲击法测稳定磁场是磁测量中常用的方法,本实验是用冲击电流计测定磁感应强度 B,从而验证公式(4).测定磁感应强度的线路如图 3 所示.图中 BG 为冲击电流计, T 为待测螺线管, 为换向开关,为双刀双掷开关.它由四部分回路组成:(I)直流电流供给电路,(II)磁场电路(注意: 电阻值不能改变,以保持磁通冲击常数的恒定),将换向开关 换向,则磁通量的变化值为1K2K 3R1k SBN22=Δφ 式中 和S 分别为螺线管次级线圈的匝数和面积,B 为磁感应强度.根据磁通灵敏度定义2NSNdkSSNdBSBNddSmmmm222 22,2φφφφ===Δ= 则 (5)如果 ,S 和 都已知,根据此时从冲击电流计测出的电量 ,就可求得磁感应强度 B.注意:和 S 都是常量.2N φk md 2NmdMIk2=φ .如果令 x = 0 (即磁场感应线圈 的位置在螺线管中点位置)的冲击电流计电量 则可得螺线管中心处的磁感应强度 为2NOd OB常量===SNkdBSNdkBOOOO22 2,2φφ,而在 x 处的磁感应强度为xOOxddBSNdkB ==22φ(6)上式也可改为OxO ddBB= (7)即由测得的电量也可测出磁场的相对分布.四 实验内容1 的测定OB将双刀掷开关 和回路 II 接通,并使感应线圈放在螺线管中心处,接通电源,调节 和 于合适位置,使 换向时冲击电流计有较大的偏转距离,注意:此时千万不能改变 值(考虑一下为什么?)!用米尺测出螺线管长度 ,用游标尺测出它的直径(2R),因此2K 1R 2R1K 3ROl2OO lRlRm ==22可以计算出来,记下和 S 值,根据(5)式可以计算 值.2, NlO OB2 螺线管内轴线上磁场的分布将感应线圈(可称为试探线圈)从中心位置开始,向任意一方端点移动,取 ????????==Olxn为 0.20,0.40,0.60,0.80,0.90,1.00,1.20,1.40 和 1.60 等值,测量一种 n 值的 值.注意:测量时 ,和 都不能更动(考虑一下为什么?).md 1R2R 3R将实验条件的 m 值和测量的各种 n 值代入(4)式得到????????++++?+?=2222)1(1)1(121nmnnmnBBO计算值,又各 n 值所测的偏转值代入(7)式可得到OBB的实验值:OxOxddBB= 以 n 为横坐标,分别以OBB的理论值和实验值为纵坐标,作 nBBnBBOxOx??????????????????实理曲线和 曲线,进行比较.预习思考题1. 当 时螺线管轴向磁场的分布是否相同?01 →>> mm 和2. 怎样测定冲击常数 ? 对它有否影响?φk 3R3. 怎样用冲击电流计测磁感应强度?4. 为什么测螺线管内轴向磁场分布时不能改变 , 和 值?1R 2R 3R五 复习思考题1. 是否可以通过 和 的改变来选取冲击电流计的工作状态和灵敏度?1R 2R2. 将测定结果即螺线管中部与端口部的磁感应强度与理论值计算的结果相比较,并分析误差产生的原因.3. 需设计一螺线管,要求轴心磁场均匀的范围要大些,螺线管的尺寸大小应如何选择? ??????=lRm 的值应选得大还是小好?六 附记????????++++?+?=2222)1(1)1(121nmnnmnBBO的数据计算表nm0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.000.101.003.000.9950.7070.3160.9950.7040.3160.9940.6960.3150.9940.6830.3120.9920.6640.3100.9890.6400.3060.9840.6100.3010.9730.5750.2960.9460.5350.2910.8530.4920.2840.4990.4470.277nm1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.000.101.003.000.1460.4020.2700.0520.3570.2620.250.3150.2540.0140.2760.2460.0090.2140.2380.0060.2090.2290.0050.1820.2210.0040.1590.2120.0030.1380.2040.0020.1210.195DQ-3 型 冲击电流计使用说明书一,概述DQ-3 型数字冲击电流计是在原有冲击电流计的基础上,根据要求进一步改进研制而成的,使用大规模 CMOS 集成电路和高性能运算放大器及优质电子元器件组成的数字式测量仪表,性能上有了提高.冲击电流计主要用于测量短时间脉冲所迁移的电量,故可用测量与此相关的物理量,如电容器的电容量,电感器和直流磁场的磁感应强度等.该仪器用 3 位半 LED 数码管显示测量结果,读数清晰,数据自动保持,直至被下一次的测量数据自动取代,因而消除了人为的读数误差.二,技术性能1.冲击电流计的量程 I. II.库仑91099.19 ?× 库仑9109.199 ?×2.分辨率: 库仑910?3.稳定度:⑴ 在额定工作条件下经 15 分钟预热及调零后,工作温度偏离调零温度±5℃,仪器漂移〈±2 个字.(2)仪器在调零状态下,漂移〈±1 个字.三,使用说明1. 面板结构与功能:(1) 电源开关:拨向"开",接通电源,数码管亮;(2) 输入"+"和"-"其中"-"端与机壳接通,在需要屏蔽工作时请注意这一点;(3) 调零开关 拨向"调零",仪器处于调零状态;拨向"测量",仪器处测量状态;(4) 调零旋钮 只在仪器处于调零状态下调整.2. 使用方法(1) 接通电源开关,数码管亮,预热十分钟;(2) 拨动"量程选择",选择合适的量程;(3) "调零开关"拨向"调零",旋动调零旋扭,使显示"000";(4) "调零开关"拨向"测量",仪器处于待状态;(5) 当输入一短时间脉冲电流时,仪器自动消除前面的数据而将该次测量数据显示在屏上;(6) 若显示为"±1",则仪器过载,应更换大档量程重新调测量,或减小电路中的电压及电流,实验正常进行;(7) 当冲击信号较少,显示约在±100 以内时,误差较大,这时应更换小档量程重新调零测量.3. 注意事项(1) 由于测量对象为短时间脉冲电流所迁移的电量,这种信号包含多种谐波成份,仪器中无法加入多种滤波器,故仪器无法消除较大的串态干扰.当使用环境存在较大的串态干扰时,输入连接线应尽量短,最好用屏蔽线,并屏蔽机壳.(2) 若电源开关连续多次动作,小数点有可能丢失,并显示"±1",这时应多次揿动"量程选择",直到小数点重点新出现为止.(3) 本仪器只适应测量单次回零脉冲量.使用时互感器不能放置在电源上,同时互感器与螺线管垂直放置.(4) 输入端不得加入大于 50V 的电压,及大于 40mA 的稳定电流.4. 使用条件(1) 在-10℃～40℃温度下可连续工作.(2) 供电电压 AC220V±10%.5. 消耗功率 10W