自制亥姆霍茲線圈的設計與應用研究

趙小軍 丁良峰

(西安交通大學蘇州附屬中學 江蘇 蘇州 215006)

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自制亥姆霍茲線圈的設計與應用研究

趙小軍 丁良峰

(西安交通大學蘇州附屬中學 江蘇 蘇州 215006)

電磁學是高中物理教學的重點和難點，有效地開展實驗教學是解決難點的重要手段.電磁學演示實驗中經常需要磁場，而常規的實驗器材因為提供的磁場范圍小、不均勻，影響了演示效果.自制可旋轉亥姆霍茲線圈，結合教學進行應用研究，是提高這類實驗演示效果的一個途徑.

亥姆霍茲線圈 勻強磁場 電磁學實驗

1 背景

高中電磁學中有很多概念都比較抽象，如磁感應強度、安培力等.做好演示實驗可以幫助學生形成直觀認識，繼而進一步建立概念，總結規律.常規做法中提供的實驗用磁場存在若干不足：磁場范圍較小，磁場的方向不能根據實驗要求進行調整，無法提供勻強磁場.如果有一個平臺提供較大范圍的勻強磁場，將極大地改善課堂演示實驗的效果.基于這樣的考慮，筆者與同事設計并制作了可以旋轉的亥姆霍茲線圈實驗平臺(圖1).

圖1 可旋轉亥姆霍茲線圈

2 儀器原理與制作

2.1 儀器原理及特點

亥姆霍茲線圈是兩個相同、彼此平行且共軸的線圈.線圈通同方向電流，理論計算證明：線圈間距等于線圈半徑時，兩線圈的合磁場在軸上附近較大范圍內是均勻的.可旋轉亥姆霍茲線圈就是將自制的亥姆霍茲線圈通過兩個水平軸裝在豎直框架上的裝置.儀器的主要特點是：可提供勻強磁場，磁場空間大，線圈可以繞水平軸旋轉.經過實驗測得自制亥姆霍茲線圈中間磁場的磁感應強度與勵磁電流如表1所示，根據圖2可以看出二者之間有很好的線性關系.因此還可以實現對磁場強弱的定量研究.

表1 亥姆霍茲線圈勵磁電流與磁感應強度數據

圖2 亥姆霍茲線圈電流與磁場關系

2.2 儀器制作

筆者制作的亥姆霍茲線圈作為一個能夠完成多種實驗的平臺，結構如圖3所示.

①底座；②接線柱；③支架；④線圈；⑤帶限位功能的刻度盤

儀器可以分成3部分：亥姆霍茲線圈、支架、底座.

亥姆霍茲線圈是用五夾板做成兩組凹槽纏繞0.7 mm的漆包線繞制而成.每組線圈240匝，線圈內徑240 mm，外徑280 mm，線圈間距130 mm.將亥姆霍茲線圈通過兩個水平軸與框架連接，線圈可以繞軸轉動.在線圈側面裝有一個圓形的刻度盤，通過刻度可以判斷線圈繞水平軸轉動的角度.

支架用絕緣材料做成(為對比實驗效果先后做了兩個，分別采用木材和亞克力)，頂部裝有一個可旋轉掛架、一個圓形刻度盤.掛架上裝有兩個接線柱可以外接電源，掛架可以懸掛導線棒.刻度盤可以顯示掛架旋轉的角度.

底座上裝有接線柱，用導線分別將其與頂部掛架接線柱和亥姆霍茲線圈連接，通過接線柱可以實現為線圈和掛架上的懸掛導線供電.在底座上還裝有兩個水平儀，幫助底座調節水平.

3 儀器的應用

3.1 安培定則的驗證

將小磁針分別擺放在線圈內部和線圈的正前方，給線圈通電，觀察其通電前后小磁針的指向情況.可觀察通電環形線圈周圍的磁場分布，如圖4所示，驗證安培定則.

圖4 線圈通電后周圍小磁針分布

3.2 左手定則的驗證

將導線粘在細的木條上，用細的漆包線懸掛在掛架上，保證木條水平，按照接線柱顏色通上勵磁電流，給懸掛在掛架上的導線通以電流，發現導線向左側偏轉，如圖5所示.根據右手定則判斷亥姆霍茲線圈中磁場的方向，懸掛導線的偏轉方向與左手定則判斷結果一樣.改變勵磁電流方向或是導線電流方向繼續驗證左手定則.

圖5 左手定則驗證實驗

3.3 探究影響安培力大小的因素

人教版教材的安培力演示器材，原理如圖6所示，安培力的大小變化主要通過導線擺動的角度進行比較，實際演示效果并不理想.主要存在的問題是蹄形磁鐵磁場弱，磁場的大小和方向都不能變化.利用可旋轉亥姆霍茲線圈可以提供較大范圍的磁場，還可以改變磁場的大小和方向，較好地完成這個實驗.(1)保持其他各條件不變，只改變磁感應強度B大小(通過改變勵磁電流的大小實現)，觀察懸線擺角大小變化，研究安培力F大小與B大小的關系；(2)只改變導線中電流I大小，研究安培力F大小與I大小的關系；(3)只改變粘在木條上導線的匝數，研究安培力F大小與L的關系；(4)通過旋轉亥姆霍茲線圈改變磁場方向，確定B與I垂直時安培力F最大.

圖6 安培力演示實驗

3.4 演示磁懸浮實驗

當磁場方向為水平時，依據左手定則調節勵磁電流方向使安培力方向向上，當勵磁電流增加或是導線中電流變大時，導線會向上移動一定的高度，導線受到的安培力、重力與給導線通電的細導線的彈力平衡，實現“磁懸浮”，如圖7所示.

圖7 磁懸浮演示實驗

3.5 其他實驗應用

自制的亥姆霍茲線圈可以提供一個較大的磁場空間，滿足很多實驗的需求.如演示洛倫茲力，將陰極射線管掛在磁場中，不僅可以演示陰極射線在洛倫茲力作用下偏轉，還可以觀察磁場與陰極射線平行時射線的運動情況，如圖8所示.加上交變電流，還可以完成電磁感應的一些實驗.

圖8 洛倫茲力演示實驗

4 自制亥姆霍茲線圈應用的思考

在部分電磁學演示實驗中應用自制的可旋轉亥姆霍茲線圈，解決了傳統實驗器材無法克服的一些困難，增強了演示效果.同時，作為一個實驗平臺提高了實驗儀器的利用率.在教具的應用研究中發現，可旋轉亥姆霍茲線圈還有繼續改進的空間，利用它產生的磁場并結合其他設備，可開發更多的實驗項目.

1 葉祥勝. 改進型安培力演示器的制作和演示. 物理通報，2013(11)：69～70

2 凌錫幫. 探究安培力實驗裝置的簡易制作方法. 物理通報，2010(5)：93

3 劉燕. 對“磁場對通電導線的作用”一課的思考. 物理實驗，2016(2)：42～44

趙小軍(1973- )，男，中教高級，主要研究方向為物理教學.

丁良峰(1981- )，男，中教一級，主要研究方向為通用技術教學.

2016-10-04)