基于DIS的通電螺線管內部磁場的研究

佟 蕾

（渤海大學 數理學院，遼寧 錦州 121000）

眾所周知，螺線管是由導線均勻緊密地繞成圓筒型的線圈，當螺線管中通有電流時，可以產生磁場，是被廣泛應用的一種電子元件。在中學物理教學中只是定性的說明其內部為勻強磁場以及用右手定則表示其磁場方向，并未對磁場分布深入研究，同時利用傳統的演示實驗儀器也無法直接測量其磁場的分布和強度。[1]

DIS（Digital Information System）數字化信息系統，是將傳感器、數據采集器與傳統實驗儀器結合，利用計算機軟件將采集到的數據通過圖像、數據和儀表等形式表現出來。DIS系統改變了傳統儀器只能定性分析的不足，取而代之的是快速、準確、動態的采集實驗數據和信息，數據豐富，圖像生動。[2-4]本文利用DIS數字化信息系統研究通電螺線管內部軸線上的磁場分布。

1 實驗裝置

實驗裝置主要由數據采集儀、計算機、螺線管、磁場傳感器、電流傳感器、學生電源、滑動變阻器等組成。將螺線管、電流傳感器、學生電源、滑動變阻器串聯成閉合回路，磁場傳感器的探頭放在螺線管中心軸線外側，最后用數據線將傳感器與數據采集儀和計算機相連，裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置圖

2 實驗過程

1）打開實驗數據采集系統，在通用實驗列表中選擇“磁場測量實驗”。

2）用磁場傳感器連接采集儀A通道，電流傳感器連接B通道。

3）在接通電路前，將磁場傳感器和電流傳感器調零定標。

4）研究螺線管內中心軸線上的磁場分布情況。選擇x軸為時間t，單位秒s，y軸為磁感應強度B，單位高斯Gs。螺線管電源通電，按測量圖標采集數據，同時把磁傳感器沿軸線方向向螺線管內部移動，當探頭通過線圈時采集結束，得到B-t曲線。

5）將電路中的滑動變阻器阻值調到最大，磁傳感器探頭放入線圈內部軸線上某位置不動。開始測量后，移動滑動變阻器的觸頭，調節電流大小，得到B(I)-t曲線，變換x，y軸坐標得到B-I曲線。

3 實驗結果

由于實驗中所選用螺線管中磁感應強度較小，所以將縱坐標修改為0-50Gs。利用數據采集系統得到螺線管中心軸線上各點磁感應強度分布如圖2所示。

通過圖像可以得出以下結論：（1）螺線管內部磁場是呈對稱分布，中間部分磁場最強，兩端磁場較弱；（2）中間部分曲線趨于水平，說明螺線管中間部分可以近似為勻強磁場。

改變實驗中螺線管中電流的大小，分析磁感應強度隨電流的變化關系，得到B(I)-t曲線（圖3）和 B-I曲線（圖4）。

圖2 B-t圖像

圖3 B(I)-t圖像

圖3中上面曲線表示磁感應強度的變化，下面曲線為電流的變化，可以看出隨著電流的增加，螺線管中的磁感應強度也是增加的。進一步研究磁感應強度B與電流I的關系，由圖4得到B與I成正比關系，此圖像與理論結果B內＝μ0nI是相符合的。

在中學物理電磁學實驗中，對于通電螺線管的磁場只能定性研究，無法進行定量的測量。本文利用DIS系統，測量出螺線管軸線上磁感應強度的大小，研究了磁感應強度和電流的關系，并繪制了相關圖像，實驗過程簡單，結果形象直觀，體現了現代科學技術在實驗教學中的優勢。不僅便于學生理解，而且可以增強學生的探究意識，提升學生數字化實驗的能力。

［1］賈福榮，吳學文.螺線管軸線上磁場分布的研究[J].內蒙古民族大學學報，2005，11(3)：47-48.

［2］成曉梅.DIS實驗系統在物理實驗中的應用[J].實驗科學與技術，2013，11(1)：34-36.

［3］王勁存，仲扣莊.用 DIS探究影響滑動摩擦力的因素[J].物理實驗，2010，30(5)：25-26.

［4］文林，李會.基于 DIS 的超重失重實驗研究[J].科技信息，2013(21)：47-48.