电磁学实验讲义(总).doc

实验一 亥姆霍兹线圈磁场测定一、实验概述亥姆霍兹线圈磁场测定仪是综合性大学和工科院校物理实验教学大纲重要实验之一该实验可以学习和掌握弱磁场测量方法，证明磁场迭加原理，根据教学要求描绘磁场分布等传统的亥姆霍兹线圈磁场测量实验，一般用探测线圈配以指针交流电压表测量磁感应强度由于线圈体积大，指针式交流电压表等级低等原因，测量的误差较大近年来，在科研和工业中，集成霍耳传感器由于体积小，测量准确度高，易于移动和定位，所以被广泛应用于磁场测量例如：型集成霍耳传感器就是一种高灵敏度的优质磁场传感器，它的体积小（面积，厚），其内部具有放大器和剩余电压补偿电路，采用此集成霍耳传感器（配直流数字电压表）制成的高灵敏度毫特计，可以准确测量的磁感应强度，其分辨率可达因此，用它探测载流线圈及亥姆霍兹线圈的磁场，准确度比用探测线圈高得多用高灵敏度集成霍耳传感器测量弱交、直流磁场的方法已在科研与工业中广泛应用本仪器采用先进的95A型集成霍耳传感器作探测器，用直流电压表测量传感器输出电压，探测亥姆霍兹线圈产生的磁场，测量准确度比探测线圈优越得多，仪器装置固定件牢靠，实验内容丰富二、实验原理1.根据毕奥—萨伐尔定律，载流线圈在轴线（通过圆心并与线圈平面垂直的直线）上某点的磁感应强度为： （1）式中为真空磁导率，为线圈的平均半径，为圆心到该点的距离，为线圈匝数，为通过线圈的电流强度。

因此，圆心处的磁感应强度为： （2）轴线外的磁场分布计算公式较为复杂，这里简略2.亥姆霍兹线圈是一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈，两线圈内的电流方向一致，大小相同，线圈之间的距离正好等于圆形线圈的半径这种线圈的特点是能在其公共轴线中点附近产生较广的均匀磁场区，所以在生产和科研中有较大的使用价值，也常用于弱磁场的计量标准设为亥姆霍兹线圈中轴线上某点离中心点处的距离，则亥姆霍兹线圈轴线上任意一点的磁感应强度为： （3）而在亥姆霍兹线圈上中心处的磁感应强度为： （4）三、实验用途1.测量单个载流圆线圈轴线上各点磁感应强度，把测量的磁感应强度与理论计算值比；2.在固定电流下，分别测量单个线圈（线圈和线圈）在轴线上产生的磁感应强度和，与亥姆霍兹线圈产生的磁场进行比较；3.测量亥姆霍兹线圈在间距分别为，，（为线圈半径）时，轴线上的磁场分布，并进行比较，进一步证明磁场迭加原理；4.描绘载流圆线圈及亥姆霍兹线圈的磁场分布；5.测量地磁场的水平分量四、仪器组成1.圆线圈和亥姆霍兹线圈实验平台，台面上有等距离间隔的网格线；2.高灵敏度三位半数字毫特斯拉计、三位半数字电流表及直流稳流电源组合仪一台；3.传感器探头是由2只配对的95A型集成霍耳传感器（传感器面积4mm×3mm×2mm）与探头盒。

与台面接触面积为20mm×20mm）图11、毫特斯拉计 2、电流表 3、直流电流源 4、电流调节旋钮5、调零旋钮 6、传感器插头 7、固定架 8、霍耳传感器9、大理石 10、线圈 注：A、B、C、D为接线柱五、调试步骤1.将两个线圈和固定架按照图1所示简图安装大理石台面（图1中9所示有网格线的平面）应该处于线圈组的轴线位置根据线圈内外半径及沿半径方向支架厚度，用不锈钢钢尺测量台面至线圈架平均半径端点对应位置的距离（在处），并适当调整固定架，直至满足台面通过两线圈的轴心位置；2.开机后应预热分钟，再进行测量；3.调节和移动四个固定架（图1中7所示），改变两线圈之间的距离，用不锈钢钢尺测量两线圈间距；4.线圈边上红色接线柱表示电流输入，黑色接线柱表示电流输出可以根据两线圈串接或并接时，在轴线上中心磁场比单线圈增大还是减小，来鉴别线圈通电方向是否正确；5.测量时，应将探头盒底部的霍耳传感器对准台面上被测量点，并且在两线圈断电情况下，调节调零旋钮（图1中5所示），使毫特斯拉计显示为零，然后进行实验；6.本毫特斯拉计为高灵敏度仪器，可以显示磁感应强度变化。

因而圈断电情况下，台面上不同位置，毫特斯拉计所显示的最后一位略有区别，这主要是地磁场（台面并非完全水平）和其他杂散信号的影响因此，应在每次测量不同位置磁感应强度时调零实验时，最好圈通电回路中接一个单刀双向开关，可以方便电流通断，也可以插拔电流插头六、实验方法1.载流圆线圈轴线上各点磁感应强度的测量（1）按图1接线，直流稳流电源中数字电流表已串接在电源的一个输出端，测量电流时，单线圈轴线上各点磁感应强度，每隔测一个数据实验中，随时观察毫特斯拉计探头是否沿线圈轴线移动每测量一个数据，必须先在直流电源输出电路断开调零后，才测量和记录数据；（2）将测得的圆线圈中心点的磁感应强度与理论公式计算结果进行比较2.亥姆霍兹线圈轴线上各点磁感应强度的测量（1）将两线圈间距调整至，这时，组成一个亥姆霍兹线圈；（2）取电流值，分别测量两线圈单独通电时，轴线上各点的磁感应强度值和，然后测亥姆霍兹线圈在通同样电流，在轴线上的磁感应强度值，证明在轴线上的点，即载流亥姆霍兹线圈轴线上任一点磁感应强度是两个载流单线圈在该点上产生磁感应强度之和；（3）分别把亥姆霍兹线圈间距调整为和，测量在电流为轴线上各点的磁感应强度值；（4）作间距、、时，亥姆霍兹线圈轴线上磁感应强度与位置x之间关系图，即图，证明磁场迭加原理。

七、数据记录1.载流圆线圈轴线上不同位置磁感应强度的测量结果见表1，这里电流，线圈平均半径，线圈匝数，并且真空磁导率表1-1.000.001.002.003.004.005.006.007.008.009.0010.0011.0012.00这里电流，线圈平均半径，线圈匝数，并且真空磁导率 根据毕奥—萨伐尔定律，载流圆形线圈圈轴线（通过圆心并与线圈平面垂直的直线）上某点的磁感应强度为：式中为线圈的平均半径，为线圈匝数，为通过线圈的电流强度，为圆心到该点的距离因此，圆心处的磁感应强度为：在处，实验测量值 ，两者百分误差等于 在处，测量值 ，两者间百分误差等于 2.直流电通过亥姆霍兹线圈，证明磁场迭加原理成立亥姆霍兹线圈通过I=100mA直流电流，两线圈间距d==10.00cm取两线圈轴线中心点为原点轴线为轴，所得数据见表2，其中a表示一个单线圈，b表示另一个单线圈，(a+b)表示亥姆霍兹线圈表2-7.00-6.00-5.00-4.00-3.00-2.00-1.000.00表2（续）1.002.003.004.005.006.007.00从表2中数据看出值与值在误差范围内相当一致，说明磁场满足迭加原理。

坐标至之间为均匀磁场；在处，测得磁感应强度 ，而该点磁感应强度的理论计算值为：两者间百分误差等于 3.改变两线圈间距，使两线圈间距分别为，，，测量轴线上不同位置的磁感应强度，所得数据见表3与表4，用所得数据绘制B-x曲线 当时，表3-7.00-6.00-5.00-4.00-3.00-2.00-1.000.00表3（续）1.002.003.004.005.006.007.00当时表4-7.00-6.00-5.00-4.00-3.00-2.00-1.000.00表4（续）1.002.003.004.005.006.007.00实验二 居里温度的测定目前被高校普遍采用的大学物理教材中（如哈里德、珀塞尔或程守株等编著的）都较详细地介绍了铁磁材料的一些特殊性质，如存在居里温度等并用较成熟的磁畴理论来说明铁磁材料磁化特性的内在根据在科技时代，铁磁材料的居里温度特性在工程技术，家用电器上的应用愈来愈广泛测量铁磁材料居里温度的方法很多，例如磁称法、感应法、电桥法和差值补偿法等它们都是利用铁磁物质磁矩随温度变化的特性，测量自发磁化消失时的温度本实验采用感应法。

测量感应电动势值随温度变化的规律，从而得到居里点TC本实验具有结构简单，易操作的特点，此外测温采用集成温度传感器AD590，测温灵敏度高（dV/dT约-2MV/K，而热电偶为约0.03 MV/K），线性度好，热响应快，温度、电压测量全采用数字显示一、实验目的和要求1.通过实验，对感应电压输出随温度升高而下降的现象进行观察，初步了解铁磁性材料在居里温度点由铁磁性变为顺磁性，从而使整个磁性材料参数变化的微观机理2.用感应法测定磁性材料的~T曲线并求出其居里温度二、实验设备 居里点实验仪三、实验原理1.基本原理物质的磁化可分为抗磁性，顺磁性和铁磁性三种具有铁磁性的物质称为铁磁体铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)、钆(Gd)、镝(Dy)等五种元素的多种合金就是铁磁体在铁磁体中，相邻原子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子的磁距平行排列起来，形成一个自发图1磁化达到饱和状态的区域自发磁化只发生在微小的区域（体积约为，其中含有个原子）这些区域称为磁畴在没有外磁场作用时，在每个磁畴中，原子的分子磁距均取向同一方位，但对不同的磁畴，其分子磁矩的取向各不相同，见图3-1，其中图1（a）为单晶磁畴结构示意图，图1（b）为多晶磁畴结构示意图。

磁畴的这种排列方式，使磁体能处于最小能量的稳定状态因此，对整个铁磁体来说，任何宏观区域的平均磁距为零，物体不显示磁性在外磁场作用下，磁距与外磁场同方向排列时的磁能低于磁距与外磁场反向排列时的磁能结果是自发磁化磁距与磁场成小角度的磁畴处于有利地位，磁畴体积逐渐扩大；而自发磁化磁距与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转，以后再继续增加磁场，使所有磁畴沿外磁场方向整齐排列，这时磁化达到饱和，图2是某单晶结构磁体磁化过程的示意图铁磁性物质的磁化与温度有关，存在一临界温度称为居里温度（也称居里点）当温度增加时，由于热扰动影响磁畴内磁矩的有序排列，但在未达到居里温度时，铁磁体中分子热运动不足以破坏磁畴内磁矩基本的平行排列，此时物质仍具有铁磁性，仅其自发磁化强度随温度升高而降低如果温度继续升高达居里点时，物质的磁性发生突变，磁化 图2强度M（实为自发磁化强度）剧烈下降！因为这时分子热运动足以使相邻原子（或分子）之间的交换耦合作用突然消失，从而瓦解了磁畴内磁距有规律的排列，此时磁畴消失，铁磁。