研究亥姆霍兹线圈轴线磁场分布

【实验目的】

1.测量圆线圈轴线上的磁感应强度;

2.测量亥姆霍兹线圈轴线上的磁场分布;

3.了解亥姆霍兹线圈磁场的特点以及磁场叠加原理;

4.学习使用霍尔效应法测量磁场。

【实验原理】

磁场起源于电荷的运动，通常用磁感应强度B(包括方向和大小)表述磁场性质，其大小与介质性质有关，而且是空间位置的函数。

1.通电圆线圈轴线上的磁场分布

设一圆线圈如图1-1所示,通有电流I，线圈半径为R。圆线圈轴线上任意一点P的磁感应强度B(x)方向垂直于线圈平面，并按右手法则沿轴正向，根据毕奥-萨伐尔定律(适用于直导线)

                                                              

在上式中为在线圈轴线上距离线圈中点x处一点

为线圈所通电流量

为真空磁导率，本题中取

为与电流元的夹角

对于图1-1通电轴线圈：

                                

                                                  ①

其中

                                                                                                              ②

                                                                                                             ③ 

 将②③代入①得： 

                                            

同时对于轴线圈中点B'有:

                                                                 

由此可得:

                                                         

                                                       

由此可得:随x增大而减小，在线圈平面两侧成对称分布

2.亥姆霍兹线圈的磁场分布

亥姆霍兹线圈由两个圆线圈组成，其半径均为R，匝数均为N，电流大小以及方向均相同。

如图1-2，两圆线圈平面彼此平行且共轴，两者中心距离O,0等于它们的半径R;将两线圈串联，通以同方向电流1若取两线圈中心连线的中点0为坐标原点，则两线圈的中心OA及OB点分别对应于坐标值R/2及一R/2。

线圈中的电流方向相同，因此两线圈在轴线上任一点P所产生的磁场同向。两线圈在P点(与中点0的距离为x)产生的磁感应强度分别为

                                                     

和

                                                     

根据矢量的合成法则，故P点的合磁场B(x)为

                                                         

特殊地，在处为

 

                                                           

当两线圈间距0,0变化时，轴线上的磁场分布也随之改变。轴线上的磁场分布与两线圈间距OAOB的关系如图所示:

由图可见，当两线圈间距OAOB较大（大于线圈半径R）时，两线圈中心点附近磁场较弱，如图所示;当两线圈间距OAOB较小（小于线圈半径R）时，两线圈中心点附近磁场较强，如图所示，当两线圈间距OAOB等于线圈半径R时，组成亥姆霍兹线圈，两线圈中心点O附近磁场最均匀，如图所示、上述曲线与用式进行定性分析的结果是一致的。

计算表明，当1x1

【实验内容】

图亥姆花兹线实验装置示意图

1.参看仪器说明书熟悉仪器使用

2.测量圆线圈中心的磁感应强度

(1)测量圆线圈中心的磁感应强度并与计算值相比较

(2)将探头放置在线圈轴线上某一点，转动探头方向观察毫特斯拉计示值变化，数值最大时为传感器的法线方向，也就是这点的磁感应强度的方向。

(3)测量圆线圈轴线上的磁感应强度分布，并与理论曲线相比较。

3.测量亥姆霍兹线圈中心的磁感应强度

(1)测量亥姆霍兹线圈中心的磁感应强度，并与计算值相比较。

(2)测量亥姆霍兹线圈轴线上的磁感应强度分布。

(3)改变二圆线圈之间的距离OAO，研究线圈轴线上的磁感应强度分布。

【注意事项】

(1)开机后应预热10 min以上，待系统稳定后再开始作实验

(2)为了抵消地磁场的影响以及对其他不稳定因素的补偿，在改变位置测量某一点磁感应强度之前，应断开线圈电流，在电流为零时调零;然后接通线圈电流，进行测量和读数。

【参考文献】

沈元华等，基础物理实验，上海:复旦大学出版社，2003