疏松載流螺線管軸線上磁場的分布研究

葉友琴

摘要：本文主要研究了疏松載流螺線管軸線上磁場的分布情況，此次實驗主要測量的數(shù)據(jù)有螺線管軸線不同位置上的徑向磁場和軸向磁場。本文首先介紹了實驗的裝置，然后介紹了實驗過程中的八個步驟，最后分析了實驗的結(jié)果。本次實驗的結(jié)果表明了疏松型螺線管軸線上的軸向磁場與螺距之間呈近似線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞：疏松螺線管；軸線；磁場

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）16-0255-02

疏松載流螺線管的使用范圍非常廣泛，但是，通常其內(nèi)部的磁場分布比一般的螺線管磁場分布更復(fù)雜，所以會采用數(shù)值計算的方法來研究磁場的分布情況。本文設(shè)計了一個實驗來測量疏松載流螺線管軸線上的磁場，實驗器材分別是繞制的彈簧和磁場傳感器，該磁場傳感器是由美國著名的PASCO公司生產(chǎn)的。實驗主要測量了軸線上的軸向磁場和徑向磁場，并研究了軸向磁場與螺距之間存在的關(guān)系，最終數(shù)值計算與得到的實驗結(jié)果是相一致的。實驗的結(jié)果可以表明疏松型螺線管軸線上的軸向磁場與螺距呈近似線性關(guān)系。另外，此次試驗也可以作為物理課的選作實驗，幫助學(xué)生更好地了解疏松載流螺線管軸線上磁場的分布情況，并有助于他們更深刻的理解做物理實驗的意義。

一、實驗的裝置

以下圖一是實驗使用的裝置示意圖，該裝置使用錳鋼絲做成彈簧，將吊桶放在彈簧的下面，便可以將砝碼放在吊桶里面。如果砝碼的質(zhì)量達(dá)到了一定的數(shù)值，彈簧就會被拉開，然后連通電源，整個裝置就變成了疏松螺線管。在螺線管的上面有一個有機玻璃板，在有機玻璃板上開了一個圓孔，而疏松螺線管就固定在這個開孔的玻璃板上，安裝時要注意對準(zhǔn)圓孔的中心位置。另外，對于圓孔的直徑也有一定的要求，需要保證其大小能夠讓傳感器探頭沿著軸線自由的上下移動，而有機玻璃板則放在兩臺鐵架臺上固定好，之所以使用兩個鐵架臺是為了使有機玻璃保持水平。磁場傳感器是放在升降臺上的，只要對升降螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)便可以使其上下的移動，這樣便可以對不同位置的不同磁場進(jìn)行測量。值得一提的是，磁場傳感器可以同時對相互垂直的兩個方向進(jìn)行測量。在本次實驗當(dāng)中，主要是通過對方向開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)來測量軸線上的徑向磁場和軸向磁場的。

在本次實驗中，軸線的原點是疏松螺線管上端口部分，將原點與傳感器探頭之間的距離定為x，通過對升降螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以測量到徑向磁場與軸向磁場隨著x變化的數(shù)據(jù)分布情況。將x固定不變，改變砝碼的質(zhì)量，那么，螺距就會出現(xiàn)變化，這就可以用來研究螺距與磁場之間的關(guān)系。

二、實驗過程

實驗主要分為以下幾個步驟。

1.按照上面的裝置圖連接好整個線路。

2.運行計算機，然后打開計算機中的DataStudio程序，選擇實驗設(shè)置中的磁場傳感器，最后將數(shù)據(jù)顯示窗口里面的表格選中。

3.往吊桶里面放入20g的砝碼，等到螺線管拉開并穩(wěn)定之后，連通電源，通過調(diào)節(jié)滑線變阻器，將電流調(diào)到0.2A。

4.想將電鍵斷開，將方向開關(guān)調(diào)到豎直方向，然后點“啟動”按鈕，這時開始測量的是地磁場沿螺線管軸線的方向上的磁感應(yīng)強度分量，點“停止”，便停止了磁場的測量。同樣的，再將方向開關(guān)調(diào)到水平方向，點“啟動”按鈕，這時所測量的則是垂直于螺線管軸線方向的磁感應(yīng)強度分量，最后點“停止”按鈕。

5.調(diào)節(jié)升降螺母，將磁場傳感器探頭調(diào)節(jié)到螺線管上端口，也就是讓x=0cm，然后將電鍵合上，測量此時的徑向磁場和此時的軸向磁場，然后重復(fù)第（四）個步驟。

6.通過升降螺母，將磁場傳感器探頭降低0.2cm，在調(diào)節(jié)過程中傳感器要保持在軸線的中央位置。然后再次進(jìn)行第（五）個步驟，以此測量出傳感器探頭下降0.2cm、0.4cm……3.0cm時的徑向磁場和軸向磁場。不過，因為磁場傳感器探頭的不能無限伸長，其長度是有限的，所以只能測量出部分磁場分布的情況。

7.往吊桶里面加砝碼，依次的增加重量，讓質(zhì)量以此為30g、40g、50g，然后重復(fù)第（五）、（六）步，對不同螺距下的徑向磁場和軸向磁場沿軸線的分布情況進(jìn)行測量。

8.調(diào)節(jié)升降螺母，將磁場傳感器探頭調(diào)到x=0.2、0.8、1.4…2.6cm，然后測量吊桶里砝碼的質(zhì)量分別為20g、30g、40g…110g時的軸向磁場，以此測量出軸向分量B軸向和螺距之間存在的關(guān)系。

三、實驗結(jié)果與分析

在此次實驗中，疏松螺線管有三十匝，通過測量得到疏松螺線管的直徑有24mm，實驗中的電流為0.2A，地磁場的B軸向為2.5T，而B徑向為3.5T。通過實驗可以發(fā)現(xiàn)疏松載流螺線管軸線的磁場分布非常復(fù)雜，比一般的密繞載流螺線管要復(fù)雜很多，徑向磁場不等于零。軸線的軸向磁場會隨著螺線管端口與軸線上點之間的距離的增大而增加，在增加到都一定的值以后就不再變化，接近為勻強磁場。另外，當(dāng)彈簧上放的砝碼的質(zhì)量不同的時候，在軸線同一地方的軸向磁場會有明顯的不同，砝碼質(zhì)量改變了，疏松載流螺線管的螺距也就會發(fā)生變化，這表明了螺線管的磁感應(yīng)強度和螺距之間有較大的關(guān)系。圖二和圖三分別是不同砝碼質(zhì)量下徑向磁場的分布曲線、不同砝碼質(zhì)量下軸向磁場的分布曲線。從曲線可以看出，螺線管的螺距和砝碼質(zhì)量之間成正比關(guān)系，對于疏松螺線管軸線來說，在其同一位置的軸向磁場會與螺線管螺距之間成反比，也就是說，螺線管螺距增大的時候，軸向磁場B軸向反而會變小，它們之間的關(guān)系接近線性關(guān)系。

四、結(jié)論

本文主要是關(guān)于測量疏松載流螺線管軸線上磁場的實驗，對軸線上的徑向磁場和軸向磁場進(jìn)行了測量，此次實驗得到的結(jié)果和統(tǒng)計數(shù)據(jù)相一致，說明了本次實驗的設(shè)計是可行的。這個實驗可以作為物理課的選作實驗，它可以幫助學(xué)生更清晰地認(rèn)識到螺線管內(nèi)部的磁場分布情況，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)如何通過傳感器來測量一些物理量。endprint

摘要：本文主要研究了疏松載流螺線管軸線上磁場的分布情況，此次實驗主要測量的數(shù)據(jù)有螺線管軸線不同位置上的徑向磁場和軸向磁場。本文首先介紹了實驗的裝置，然后介紹了實驗過程中的八個步驟，最后分析了實驗的結(jié)果。本次實驗的結(jié)果表明了疏松型螺線管軸線上的軸向磁場與螺距之間呈近似線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞：疏松螺線管；軸線；磁場

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）16-0255-02

疏松載流螺線管的使用范圍非常廣泛，但是，通常其內(nèi)部的磁場分布比一般的螺線管磁場分布更復(fù)雜，所以會采用數(shù)值計算的方法來研究磁場的分布情況。本文設(shè)計了一個實驗來測量疏松載流螺線管軸線上的磁場，實驗器材分別是繞制的彈簧和磁場傳感器，該磁場傳感器是由美國著名的PASCO公司生產(chǎn)的。實驗主要測量了軸線上的軸向磁場和徑向磁場，并研究了軸向磁場與螺距之間存在的關(guān)系，最終數(shù)值計算與得到的實驗結(jié)果是相一致的。實驗的結(jié)果可以表明疏松型螺線管軸線上的軸向磁場與螺距呈近似線性關(guān)系。另外，此次試驗也可以作為物理課的選作實驗，幫助學(xué)生更好地了解疏松載流螺線管軸線上磁場的分布情況，并有助于他們更深刻的理解做物理實驗的意義。

一、實驗的裝置

以下圖一是實驗使用的裝置示意圖，該裝置使用錳鋼絲做成彈簧，將吊桶放在彈簧的下面，便可以將砝碼放在吊桶里面。如果砝碼的質(zhì)量達(dá)到了一定的數(shù)值，彈簧就會被拉開，然后連通電源，整個裝置就變成了疏松螺線管。在螺線管的上面有一個有機玻璃板，在有機玻璃板上開了一個圓孔，而疏松螺線管就固定在這個開孔的玻璃板上，安裝時要注意對準(zhǔn)圓孔的中心位置。另外，對于圓孔的直徑也有一定的要求，需要保證其大小能夠讓傳感器探頭沿著軸線自由的上下移動，而有機玻璃板則放在兩臺鐵架臺上固定好，之所以使用兩個鐵架臺是為了使有機玻璃保持水平。磁場傳感器是放在升降臺上的，只要對升降螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)便可以使其上下的移動，這樣便可以對不同位置的不同磁場進(jìn)行測量。值得一提的是，磁場傳感器可以同時對相互垂直的兩個方向進(jìn)行測量。在本次實驗當(dāng)中，主要是通過對方向開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)來測量軸線上的徑向磁場和軸向磁場的。

在本次實驗中，軸線的原點是疏松螺線管上端口部分，將原點與傳感器探頭之間的距離定為x，通過對升降螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以測量到徑向磁場與軸向磁場隨著x變化的數(shù)據(jù)分布情況。將x固定不變，改變砝碼的質(zhì)量，那么，螺距就會出現(xiàn)變化，這就可以用來研究螺距與磁場之間的關(guān)系。

二、實驗過程

實驗主要分為以下幾個步驟。

1.按照上面的裝置圖連接好整個線路。

2.運行計算機，然后打開計算機中的DataStudio程序，選擇實驗設(shè)置中的磁場傳感器，最后將數(shù)據(jù)顯示窗口里面的表格選中。

3.往吊桶里面放入20g的砝碼，等到螺線管拉開并穩(wěn)定之后，連通電源，通過調(diào)節(jié)滑線變阻器，將電流調(diào)到0.2A。

4.想將電鍵斷開，將方向開關(guān)調(diào)到豎直方向，然后點“啟動”按鈕，這時開始測量的是地磁場沿螺線管軸線的方向上的磁感應(yīng)強度分量，點“停止”，便停止了磁場的測量。同樣的，再將方向開關(guān)調(diào)到水平方向，點“啟動”按鈕，這時所測量的則是垂直于螺線管軸線方向的磁感應(yīng)強度分量，最后點“停止”按鈕。

5.調(diào)節(jié)升降螺母，將磁場傳感器探頭調(diào)節(jié)到螺線管上端口，也就是讓x=0cm，然后將電鍵合上，測量此時的徑向磁場和此時的軸向磁場，然后重復(fù)第（四）個步驟。

6.通過升降螺母，將磁場傳感器探頭降低0.2cm，在調(diào)節(jié)過程中傳感器要保持在軸線的中央位置。然后再次進(jìn)行第（五）個步驟，以此測量出傳感器探頭下降0.2cm、0.4cm……3.0cm時的徑向磁場和軸向磁場。不過，因為磁場傳感器探頭的不能無限伸長，其長度是有限的，所以只能測量出部分磁場分布的情況。

7.往吊桶里面加砝碼，依次的增加重量，讓質(zhì)量以此為30g、40g、50g，然后重復(fù)第（五）、（六）步，對不同螺距下的徑向磁場和軸向磁場沿軸線的分布情況進(jìn)行測量。

8.調(diào)節(jié)升降螺母，將磁場傳感器探頭調(diào)到x=0.2、0.8、1.4…2.6cm，然后測量吊桶里砝碼的質(zhì)量分別為20g、30g、40g…110g時的軸向磁場，以此測量出軸向分量B軸向和螺距之間存在的關(guān)系。

三、實驗結(jié)果與分析

在此次實驗中，疏松螺線管有三十匝，通過測量得到疏松螺線管的直徑有24mm，實驗中的電流為0.2A，地磁場的B軸向為2.5T，而B徑向為3.5T。通過實驗可以發(fā)現(xiàn)疏松載流螺線管軸線的磁場分布非常復(fù)雜，比一般的密繞載流螺線管要復(fù)雜很多，徑向磁場不等于零。軸線的軸向磁場會隨著螺線管端口與軸線上點之間的距離的增大而增加，在增加到都一定的值以后就不再變化，接近為勻強磁場。另外，當(dāng)彈簧上放的砝碼的質(zhì)量不同的時候，在軸線同一地方的軸向磁場會有明顯的不同，砝碼質(zhì)量改變了，疏松載流螺線管的螺距也就會發(fā)生變化，這表明了螺線管的磁感應(yīng)強度和螺距之間有較大的關(guān)系。圖二和圖三分別是不同砝碼質(zhì)量下徑向磁場的分布曲線、不同砝碼質(zhì)量下軸向磁場的分布曲線。從曲線可以看出，螺線管的螺距和砝碼質(zhì)量之間成正比關(guān)系，對于疏松螺線管軸線來說，在其同一位置的軸向磁場會與螺線管螺距之間成反比，也就是說，螺線管螺距增大的時候，軸向磁場B軸向反而會變小，它們之間的關(guān)系接近線性關(guān)系。

四、結(jié)論

本文主要是關(guān)于測量疏松載流螺線管軸線上磁場的實驗，對軸線上的徑向磁場和軸向磁場進(jìn)行了測量，此次實驗得到的結(jié)果和統(tǒng)計數(shù)據(jù)相一致，說明了本次實驗的設(shè)計是可行的。這個實驗可以作為物理課的選作實驗，它可以幫助學(xué)生更清晰地認(rèn)識到螺線管內(nèi)部的磁場分布情況，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)如何通過傳感器來測量一些物理量。endprint

摘要：本文主要研究了疏松載流螺線管軸線上磁場的分布情況，此次實驗主要測量的數(shù)據(jù)有螺線管軸線不同位置上的徑向磁場和軸向磁場。本文首先介紹了實驗的裝置，然后介紹了實驗過程中的八個步驟，最后分析了實驗的結(jié)果。本次實驗的結(jié)果表明了疏松型螺線管軸線上的軸向磁場與螺距之間呈近似線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞：疏松螺線管；軸線；磁場

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）16-0255-02

疏松載流螺線管的使用范圍非常廣泛，但是，通常其內(nèi)部的磁場分布比一般的螺線管磁場分布更復(fù)雜，所以會采用數(shù)值計算的方法來研究磁場的分布情況。本文設(shè)計了一個實驗來測量疏松載流螺線管軸線上的磁場，實驗器材分別是繞制的彈簧和磁場傳感器，該磁場傳感器是由美國著名的PASCO公司生產(chǎn)的。實驗主要測量了軸線上的軸向磁場和徑向磁場，并研究了軸向磁場與螺距之間存在的關(guān)系，最終數(shù)值計算與得到的實驗結(jié)果是相一致的。實驗的結(jié)果可以表明疏松型螺線管軸線上的軸向磁場與螺距呈近似線性關(guān)系。另外，此次試驗也可以作為物理課的選作實驗，幫助學(xué)生更好地了解疏松載流螺線管軸線上磁場的分布情況，并有助于他們更深刻的理解做物理實驗的意義。

一、實驗的裝置

以下圖一是實驗使用的裝置示意圖，該裝置使用錳鋼絲做成彈簧，將吊桶放在彈簧的下面，便可以將砝碼放在吊桶里面。如果砝碼的質(zhì)量達(dá)到了一定的數(shù)值，彈簧就會被拉開，然后連通電源，整個裝置就變成了疏松螺線管。在螺線管的上面有一個有機玻璃板，在有機玻璃板上開了一個圓孔，而疏松螺線管就固定在這個開孔的玻璃板上，安裝時要注意對準(zhǔn)圓孔的中心位置。另外，對于圓孔的直徑也有一定的要求，需要保證其大小能夠讓傳感器探頭沿著軸線自由的上下移動，而有機玻璃板則放在兩臺鐵架臺上固定好，之所以使用兩個鐵架臺是為了使有機玻璃保持水平。磁場傳感器是放在升降臺上的，只要對升降螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)便可以使其上下的移動，這樣便可以對不同位置的不同磁場進(jìn)行測量。值得一提的是，磁場傳感器可以同時對相互垂直的兩個方向進(jìn)行測量。在本次實驗當(dāng)中，主要是通過對方向開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)來測量軸線上的徑向磁場和軸向磁場的。

在本次實驗中，軸線的原點是疏松螺線管上端口部分，將原點與傳感器探頭之間的距離定為x，通過對升降螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以測量到徑向磁場與軸向磁場隨著x變化的數(shù)據(jù)分布情況。將x固定不變，改變砝碼的質(zhì)量，那么，螺距就會出現(xiàn)變化，這就可以用來研究螺距與磁場之間的關(guān)系。

二、實驗過程

實驗主要分為以下幾個步驟。

1.按照上面的裝置圖連接好整個線路。

2.運行計算機，然后打開計算機中的DataStudio程序，選擇實驗設(shè)置中的磁場傳感器，最后將數(shù)據(jù)顯示窗口里面的表格選中。

3.往吊桶里面放入20g的砝碼，等到螺線管拉開并穩(wěn)定之后，連通電源，通過調(diào)節(jié)滑線變阻器，將電流調(diào)到0.2A。

4.想將電鍵斷開，將方向開關(guān)調(diào)到豎直方向，然后點“啟動”按鈕，這時開始測量的是地磁場沿螺線管軸線的方向上的磁感應(yīng)強度分量，點“停止”，便停止了磁場的測量。同樣的，再將方向開關(guān)調(diào)到水平方向，點“啟動”按鈕，這時所測量的則是垂直于螺線管軸線方向的磁感應(yīng)強度分量，最后點“停止”按鈕。

5.調(diào)節(jié)升降螺母，將磁場傳感器探頭調(diào)節(jié)到螺線管上端口，也就是讓x=0cm，然后將電鍵合上，測量此時的徑向磁場和此時的軸向磁場，然后重復(fù)第（四）個步驟。

6.通過升降螺母，將磁場傳感器探頭降低0.2cm，在調(diào)節(jié)過程中傳感器要保持在軸線的中央位置。然后再次進(jìn)行第（五）個步驟，以此測量出傳感器探頭下降0.2cm、0.4cm……3.0cm時的徑向磁場和軸向磁場。不過，因為磁場傳感器探頭的不能無限伸長，其長度是有限的，所以只能測量出部分磁場分布的情況。

7.往吊桶里面加砝碼，依次的增加重量，讓質(zhì)量以此為30g、40g、50g，然后重復(fù)第（五）、（六）步，對不同螺距下的徑向磁場和軸向磁場沿軸線的分布情況進(jìn)行測量。

8.調(diào)節(jié)升降螺母，將磁場傳感器探頭調(diào)到x=0.2、0.8、1.4…2.6cm，然后測量吊桶里砝碼的質(zhì)量分別為20g、30g、40g…110g時的軸向磁場，以此測量出軸向分量B軸向和螺距之間存在的關(guān)系。

三、實驗結(jié)果與分析

在此次實驗中，疏松螺線管有三十匝，通過測量得到疏松螺線管的直徑有24mm，實驗中的電流為0.2A，地磁場的B軸向為2.5T，而B徑向為3.5T。通過實驗可以發(fā)現(xiàn)疏松載流螺線管軸線的磁場分布非常復(fù)雜，比一般的密繞載流螺線管要復(fù)雜很多，徑向磁場不等于零。軸線的軸向磁場會隨著螺線管端口與軸線上點之間的距離的增大而增加，在增加到都一定的值以后就不再變化，接近為勻強磁場。另外，當(dāng)彈簧上放的砝碼的質(zhì)量不同的時候，在軸線同一地方的軸向磁場會有明顯的不同，砝碼質(zhì)量改變了，疏松載流螺線管的螺距也就會發(fā)生變化，這表明了螺線管的磁感應(yīng)強度和螺距之間有較大的關(guān)系。圖二和圖三分別是不同砝碼質(zhì)量下徑向磁場的分布曲線、不同砝碼質(zhì)量下軸向磁場的分布曲線。從曲線可以看出，螺線管的螺距和砝碼質(zhì)量之間成正比關(guān)系，對于疏松螺線管軸線來說，在其同一位置的軸向磁場會與螺線管螺距之間成反比，也就是說，螺線管螺距增大的時候，軸向磁場B軸向反而會變小，它們之間的關(guān)系接近線性關(guān)系。

四、結(jié)論

本文主要是關(guān)于測量疏松載流螺線管軸線上磁場的實驗，對軸線上的徑向磁場和軸向磁場進(jìn)行了測量，此次實驗得到的結(jié)果和統(tǒng)計數(shù)據(jù)相一致，說明了本次實驗的設(shè)計是可行的。這個實驗可以作為物理課的選作實驗，它可以幫助學(xué)生更清晰地認(rèn)識到螺線管內(nèi)部的磁場分布情況，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)如何通過傳感器來測量一些物理量。endprint