基于DIS的通電螺線管內(nèi)部磁場的研究

佟 蕾

（渤海大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

眾所周知，螺線管是由導(dǎo)線均勻緊密地繞成圓筒型的線圈，當(dāng)螺線管中通有電流時，可以產(chǎn)生磁場，是被廣泛應(yīng)用的一種電子元件。在中學(xué)物理教學(xué)中只是定性的說明其內(nèi)部為勻強(qiáng)磁場以及用右手定則表示其磁場方向，并未對磁場分布深入研究，同時利用傳統(tǒng)的演示實驗儀器也無法直接測量其磁場的分布和強(qiáng)度。[1]

DIS（Digital Information System）數(shù)字化信息系統(tǒng)，是將傳感器、數(shù)據(jù)采集器與傳統(tǒng)實驗儀器結(jié)合，利用計算機(jī)軟件將采集到的數(shù)據(jù)通過圖像、數(shù)據(jù)和儀表等形式表現(xiàn)出來。DIS系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)儀器只能定性分析的不足，取而代之的是快速、準(zhǔn)確、動態(tài)的采集實驗數(shù)據(jù)和信息，數(shù)據(jù)豐富，圖像生動。[2-4]本文利用DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)研究通電螺線管內(nèi)部軸線上的磁場分布。

1 實驗裝置

實驗裝置主要由數(shù)據(jù)采集儀、計算機(jī)、螺線管、磁場傳感器、電流傳感器、學(xué)生電源、滑動變阻器等組成。將螺線管、電流傳感器、學(xué)生電源、滑動變阻器串聯(lián)成閉合回路，磁場傳感器的探頭放在螺線管中心軸線外側(cè)，最后用數(shù)據(jù)線將傳感器與數(shù)據(jù)采集儀和計算機(jī)相連，裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置圖

2 實驗過程

1）打開實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在通用實驗列表中選擇“磁場測量實驗”。

2）用磁場傳感器連接采集儀A通道，電流傳感器連接B通道。

3）在接通電路前，將磁場傳感器和電流傳感器調(diào)零定標(biāo)。

4）研究螺線管內(nèi)中心軸線上的磁場分布情況。選擇x軸為時間t，單位秒s，y軸為磁感應(yīng)強(qiáng)度B，單位高斯Gs。螺線管電源通電，按測量圖標(biāo)采集數(shù)據(jù)，同時把磁傳感器沿軸線方向向螺線管內(nèi)部移動，當(dāng)探頭通過線圈時采集結(jié)束，得到B-t曲線。

5）將電路中的滑動變阻器阻值調(diào)到最大，磁傳感器探頭放入線圈內(nèi)部軸線上某位置不動。開始測量后，移動滑動變阻器的觸頭，調(diào)節(jié)電流大小，得到B(I)-t曲線，變換x，y軸坐標(biāo)得到B-I曲線。

3 實驗結(jié)果

由于實驗中所選用螺線管中磁感應(yīng)強(qiáng)度較小，所以將縱坐標(biāo)修改為0-50Gs。利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到螺線管中心軸線上各點磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖2所示。

通過圖像可以得出以下結(jié)論：（1）螺線管內(nèi)部磁場是呈對稱分布，中間部分磁場最強(qiáng)，兩端磁場較弱；（2）中間部分曲線趨于水平，說明螺線管中間部分可以近似為勻強(qiáng)磁場。

改變實驗中螺線管中電流的大小，分析磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流的變化關(guān)系，得到B(I)-t曲線（圖3）和 B-I曲線（圖4）。

圖2 B-t圖像

圖3 B(I)-t圖像

圖3中上面曲線表示磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，下面曲線為電流的變化，可以看出隨著電流的增加，螺線管中的磁感應(yīng)強(qiáng)度也是增加的。進(jìn)一步研究磁感應(yīng)強(qiáng)度B與電流I的關(guān)系，由圖4得到B與I成正比關(guān)系，此圖像與理論結(jié)果B內(nèi)＝μ0nI是相符合的。

在中學(xué)物理電磁學(xué)實驗中，對于通電螺線管的磁場只能定性研究，無法進(jìn)行定量的測量。本文利用DIS系統(tǒng)，測量出螺線管軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，研究了磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流的關(guān)系，并繪制了相關(guān)圖像，實驗過程簡單，結(jié)果形象直觀，體現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在實驗教學(xué)中的優(yōu)勢。不僅便于學(xué)生理解，而且可以增強(qiáng)學(xué)生的探究意識，提升學(xué)生數(shù)字化實驗的能力。

［1］賈福榮，吳學(xué)文.螺線管軸線上磁場分布的研究[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報，2005，11(3)：47-48.

［2］成曉梅.DIS實驗系統(tǒng)在物理實驗中的應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2013，11(1)：34-36.

［3］王勁存，仲扣莊.用 DIS探究影響滑動摩擦力的因素[J].物理實驗，2010，30(5)：25-26.

［4］文林，李會.基于 DIS 的超重失重實驗研究[J].科技信息，2013(21)：47-48.