安培力定量分析實驗儀的制作與使用

鄧治國 王韶修

(增城市教育局教研室 廣東 廣州 511300) (增城市新塘鎮新塘中學 廣東 廣州 511300)

1 引言

2 實驗儀的制作

(1)實驗儀的實物圖與電路圖

儀器主要包括電磁鐵,線圈,彈簧測力計,支架以及電源控制裝置，如圖1.圖2為其電路圖，A1為勵磁電流計，A2為線圈電流計.

圖1 實驗儀的實物圖

圖2 實驗儀的電路圖

電磁鐵的鐵芯由半閉合的軟磁材料構成.勵磁線圈依次與開關、滑動變阻器、電源、電流表串聯組成閉合回路；彈簧測力計上端固定在支架上，下端懸掛線圈;線圈通過輕軟導線依次與開關、滑動變阻器、電源、電流表串聯組成閉合回路.

(2)制作材料

硅鋼片，直徑0.69 mm和0.35 mm漆包線，鐵架臺1個，彈簧1根，直尺1把，12 V穩壓開關電源1個，量程3 A的電流表2個，最大值50 Ω的滑動變阻器2個，水泥電阻2個，旋鈕螺絲1支，開關3個，導線若干.

(3)勻強磁場控制裝置

電磁鐵鐵芯是由半閉合的高磁導率軟磁材料構成.在閉合的磁場通路做一個缺口，這個缺口會產生很強的磁場.鐵芯由硅鋼片(圖3)組成.電磁鐵的勵磁線圈安裝在鐵芯左右兩側.鐵芯的缺口處左右正對面要相互平行，鐵芯正對面的高度要適當高些，保證通電線圈受安培力上、下移動過程中始終在正對面的高度范圍內.并且將兩個勵磁線圈接入電路時，使兩個勵磁線圈在鐵芯中產生相同方向(順時針或逆時針)的磁場.圖4是勻強磁場控制裝置.

圖3 硅鋼片鐵芯 圖4 勻強磁場控制裝置

(4)通電線圈

圖5 通電線圈 圖6 彈簧測力計

線圈是帶有中心抽頭的多匝線圈，在線圈骨架引出三個接線口，匝數分別0、50匝、100匝.三個接線口通過三根輕軟的導線連接到水泥電阻(起保護作用)后引到鐵架臺的三個固定接線柱上，三個接線柱分別是0、50匝、100匝，不同的接線柱線圈匝數n不同，實現改變導線在磁場的長度.將通電線圈通過細繩與彈簧測力計一端連接，彈簧測力計另一端與可以上、下調節的螺絲連接，螺絲與支架連接，如圖5.

(5)彈簧測力計

彈簧測力計由勁度系數100 N/m的彈簧和直尺組成，彈簧的精度是0.01 N，如圖6.

(6)電源控制裝置

儀器的電源是穩壓開關電源，提供12 V直流電.由三個開關控制，分別為電源總開關、勵磁電源開關和通電線圈電源開關.通過兩個滑動變阻器分別控制勵磁線圈電流和線圈電流.兩個電流表分別讀出勵磁電流和線圈電流，如圖7.

圖7 電流表

3 實驗儀的工作原理與實驗操作

實驗一：線圈的匝數不變，通過調節滑動變阻器阻值改變線圈電流的大小I，然后通過彈簧測力計讀出相應安培力的大小F.實驗可以得到當通電導線與磁場方向垂直，磁場強弱、導線的長度不變時，安培力的大小F與線圈電流的大小I成正比.

實驗二：線圈的電流不變，通過改變線圈的接線口改變線圈的匝數，然后通過彈簧測力計讀出相應安培力的大小F.實驗可以得到當通電導線與磁場方向垂直，磁場強弱、導線的電流不變時，安培力的大小F與導線的長度L成正比.實驗數據(勵磁電流=1.70 A)如表1,2.

表1 n=50匝安培力F與線圈電流I的關系

表2 n=100匝安培力F與線圈電流I的關系

總結實驗一和實驗二，得到在同一磁場中，當通電導線與磁場方向垂直時，導線受到安培力的大小F，與導線的長度L成正比，與導線中的電流I成正比，即F=ILB，其中B是比例常數.

實驗數據記錄，勵磁電流=1.30 A，如表3,4和勵磁電流=1.00 A，如表5,6所示.

表3 n=50匝安培力F與線圈電流I的關系

表4 n=100匝安培力F與線圈電流I的關系

表5 n=50匝安培力F與線圈電流I的關系

表6 n=100匝安培力F與線圈電流I的關系

4 數據處理

探討安培力F與IL的關系，F取多次測量的平均值(線圈底邊長是0.04 m,線圈50匝對應長度是2 m，100匝對應長度是4 m),實驗記錄如表7～9.

表7 安培力F與IL的關系(勵磁電流1.70 A)

表8 安培力F與IL的關系(勵磁電流1.30 A )

表9 安培力F與IL的關系(勵磁電流1.00 A )

通過電腦描點畫圖得出了安培力F與IL的關系如圖8.從圖8中能清晰地看到在不同的勵磁電流(可以近似看成是不同的磁感應強度)下實驗，二者都成正比例關系.

圖8

安培力定量分析實驗儀的不足之處在于線圈的匝數學生不容易看清楚，與線圈引出的兩根細軟導線容易斷.但此實驗的確讓學生看到安培力連續變化的現象，體驗實驗探究的過程并通過分析數據得出了正確結論，培養了學生分析、歸納、總結的能力.該儀器體現以實驗為基礎的學科特點，用實驗定量地測量安培力，填補了教材編寫和沒有配套儀器的空白，受到學生喜歡，提高了教學的有效性.