探究直流導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)的變化

2011-01-26 05:45:38歐英雷

物理實(shí)驗(yàn) 2011年11期

歐英雷

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣自動(dòng)化系，廣東廣州510510）

1 引言

電流能產(chǎn)生磁場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱為電流的磁效應(yīng)．穩(wěn)恒電流只能存在于閉合回路中，閉合回路的形狀和大小千變?nèi)f化，每個(gè)載流的閉合回路產(chǎn)生的磁場(chǎng)與它的形狀、大小和位置都有關(guān)．在研究有一定形狀和大小的載流閉合回路產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)，可以把它們分割為許多無窮小的載流元，每個(gè)載流元看作是一段直電流．只要弄清楚任意一段直電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的規(guī)律，就可以利用磁場(chǎng)疊加的方法，把整個(gè)載流閉合回路產(chǎn)生的磁場(chǎng)的規(guī)律概括出來．在實(shí)際情況中，若在閉合回路中有一段長(zhǎng)度為l的直導(dǎo)線，在其附近d?l的范圍內(nèi)，可以近似認(rèn)為該導(dǎo)線為無限長(zhǎng)的直導(dǎo)線，因此直電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)μ0為真空磁導(dǎo)率．當(dāng)l足夠大，d足夠小時(shí)，B就能確定．本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置的特點(diǎn)在于能方便地利用閉合的螺線管來測(cè)量出直電流周圍磁場(chǎng)的變化情況．

2 實(shí)驗(yàn)方法

磁場(chǎng)也能產(chǎn)生電流，為了驗(yàn)證磁場(chǎng)的存在和變化，可以通過檢測(cè)感生電流的存在與否來判定．在穿過閉合電路所包圍的面積中的磁通量發(fā)生變化時(shí)，該電路中就會(huì)產(chǎn)生感生電流．筆者設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置就可以將變化電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化磁場(chǎng)又產(chǎn)生感應(yīng)電流的相互關(guān)系反映出來．

2．1 探究直電流周圍磁場(chǎng)變化的實(shí)驗(yàn)裝置

圖1中，R為變阻器，K為換向開關(guān)，ab為直導(dǎo)線，G為靈敏電流計(jì)（零位在中間），ab垂直于P所在的平面．

圖1 探究直流導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)變化的實(shí)驗(yàn)電路圖

本實(shí)驗(yàn)裝置最關(guān)鍵的部分為P，P為螺繞環(huán)，是在磁導(dǎo)率為μ的圓環(huán)形芯子上，均勻而緊密地繞有N匝的線圈．這個(gè)圓環(huán)形的螺線形線圈是密繞的，可以把它近似地看成是一系列圓線圈并排起來組成的．當(dāng)ab垂直穿過P平面的中心時(shí)，直電流ab產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁感線是沿著垂直于ab的平面內(nèi)的同心圓．因此螺繞環(huán)中的線圈能最大限度地接收直電流磁場(chǎng)的磁感線數(shù)目．通過P的電磁感應(yīng)作用使閉合電路中G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)．

1）當(dāng)ab中的I恒定時(shí)，G的指針指零．P中沒有感應(yīng)電流，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，說明直電流ab周圍的磁場(chǎng)的磁通量沒有發(fā)生變化，也就是穩(wěn)恒電流周圍的磁場(chǎng)也是穩(wěn)恒的．

2）通過K改變ab中I的方向時(shí)，G的指針發(fā)生瞬時(shí)偏轉(zhuǎn)．說明P中出現(xiàn)了短暫的感應(yīng)電流，螺繞環(huán)有電磁感應(yīng)現(xiàn)象，ab周圍的磁場(chǎng)發(fā)生了變化，即直導(dǎo)線中電流方向改變時(shí)，其周圍的磁場(chǎng)的方向也發(fā)生改變．

3）通過K接通或斷開ab中的I時(shí)，G的指針均發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但方向相反．這表明P中發(fā)生了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，ab周圍的磁場(chǎng)發(fā)生了變化．

4）利用變阻器R迅速增加ab中的I值時(shí)，G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)．表明穿過螺繞環(huán)線圈中的磁通量發(fā)生了變化，使螺繞環(huán)線圈中出現(xiàn)了感應(yīng)電流．從而證明ab中電流增大時(shí)，其周圍的感應(yīng)強(qiáng)度也將增大．

5）利用變阻器R迅速減少ab中的I值時(shí)，G的指針向反向偏轉(zhuǎn)．表明穿過螺繞環(huán)線圈中的磁通量發(fā)生了改變，使螺繞環(huán)線圈中出現(xiàn)了感應(yīng)電流，但其電流方向與上述情況相反．從而證明ab中電流減少時(shí)，其周圍的感應(yīng)強(qiáng)度也將減小．

除了上述的幾種情況以外，還可以通過改變直導(dǎo)線ab與螺繞環(huán)P之間的位置關(guān)系，來檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置是否還能正確地判斷直電流周圍磁場(chǎng)的變化規(guī)律．使ab與P的平面處于平行狀態(tài)，即ab在P平面的上方，在P平面的下方，在P平面的左側(cè)、右側(cè)、前方或后方，然后，重復(fù)進(jìn)行上述各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果無論直導(dǎo)線電流I的方向如何，是否改變，大小是恒定、增加還是減少，螺繞環(huán)閉合電路中的靈敏電流計(jì)的指針均指在零位．這充分說明P中沒有發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，穿過P中線圈的磁通量沒有發(fā)生變化．因此，在這些情況下，無法判斷直電流ab周圍的磁場(chǎng)的變化規(guī)律，達(dá)不到應(yīng)有的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

另外，將直導(dǎo)線置于螺繞環(huán)P橫截面的圓心處，改變螺繞環(huán)P的半徑，在ab垂直于螺繞環(huán)平面的情況下，P的半徑越大，當(dāng)流過ab的電流的大小和方向發(fā)生變化時(shí)，螺繞環(huán)電路中靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)的角度越小．這表明距離直導(dǎo)線越遠(yuǎn)處，由于直電流的改變而引起的周圍磁場(chǎng)的變化也越小．

2．2 進(jìn)一步改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置

利用螺繞環(huán)裝置可方便地探究出直電流周圍的磁場(chǎng)變化情況，但由于受到直導(dǎo)線電流周圍的磁場(chǎng)較弱，穿過螺繞環(huán)線圈的磁通量的改變量較小等因素的影響，本裝置在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)靈敏度不高，從而影響了本實(shí)驗(yàn)裝置用于測(cè)定直導(dǎo)線電流周圍磁場(chǎng)的變化情況的應(yīng)用．為了改變這種狀況對(duì)本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)一步改進(jìn)和完善，使其更能適合于課堂上的實(shí)際操作．具體的改進(jìn)電路如圖2所示．

圖2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置電路圖

圖2中，R為變阻器，K為正反向開關(guān)，ab為直導(dǎo)線，G為靈敏電流計(jì)（零位在中間），ab垂直穿過圓柱體P的中心．

P是縱剖面為矩形的圓柱體線圈，裝置圖中只是畫出了半個(gè)圓柱體線圈的圖形．該線圈是在磁導(dǎo)率為μ的空心的圓柱體芯上，均勻而緊密地繞有N匝的線圈．在圖3中，圓柱形線圈的內(nèi)環(huán)半徑為r1，外環(huán)半徑為r2，高為h．當(dāng)r1足夠小，而h又足夠大，且r1?ab時(shí)，在真空中通以電流I的直導(dǎo)線ab，在其周圍相距為r1處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為為真空磁導(dǎo)率．

圖3 圓柱體線圈結(jié)構(gòu)

改進(jìn)以后的實(shí)驗(yàn)裝置中出現(xiàn)了圓柱體線圈，而圓柱形線圈的最大特點(diǎn)是圓柱形線圈中的每個(gè)矩形線圈所確定的平面均與通電直導(dǎo)線ab平行．直導(dǎo)線電流ab產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁感應(yīng)線是一系列沿著垂直于導(dǎo)線ab的平面內(nèi)的同心圓，其磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向均垂直于每個(gè)矩形線圈的平面．根據(jù)磁通量的定義，這種情況下的線圈接收的磁感線條數(shù)將達(dá)到最大值，從而提高了每個(gè)矩形線圈中單位時(shí)間內(nèi)磁通量的變化量，使得法拉第電磁感應(yīng)的現(xiàn)象更加明顯，更加易于通過實(shí)驗(yàn)裝置觀察、檢驗(yàn)和測(cè)量到電磁感應(yīng)的電流值，從而使利用簡(jiǎn)單、方便的方法驗(yàn)證直電流周圍磁場(chǎng)變化的規(guī)律成為可能．因此，可以利用這套實(shí)驗(yàn)裝置，重新進(jìn)行上述各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也就是通過改變K和R，改變ab中電流的大小和方向，觀察G的指針偏轉(zhuǎn)情況來進(jìn)一步驗(yàn)證直電流ab周圍磁場(chǎng)的變化，同樣可以得到相同的結(jié)論．

3 結(jié)束語