基于DIS的通电螺线管内部磁场的研究

佟 蕾

（渤海大学 数理学院，辽宁 锦州 121000）

众所周知，螺线管是由导线均匀紧密地绕成圆筒型的线圈，当螺线管中通有电流时，可以产生磁场，是被广泛应用的一种电子元件。在中学物理教学中只是定性的说明其内部为匀强磁场以及用右手定则表示其磁场方向，并未对磁场分布深入研究，同时利用传统的演示实验仪器也无法直接测量其磁场的分布和强度。[1]

DIS（Digital Information System）数字化信息系统，是将传感器、数据采集器与传统实验仪器结合，利用计算机软件将采集到的数据通过图像、数据和仪表等形式表现出来。DIS系统改变了传统仪器只能定性分析的不足，取而代之的是快速、准确、动态的采集实验数据和信息，数据丰富，图像生动。[2-4]本文利用DIS数字化信息系统研究通电螺线管内部轴线上的磁场分布。

1 实验装置

实验装置主要由数据采集仪、计算机、螺线管、磁场传感器、电流传感器、学生电源、滑动变阻器等组成。将螺线管、电流传感器、学生电源、滑动变阻器串联成闭合回路，磁场传感器的探头放在螺线管中心轴线外侧，最后用数据线将传感器与数据采集仪和计算机相连，装置如图1所示。

图1 实验装置图

2 实验过程

1）打开实验数据采集系统，在通用实验列表中选择“磁场测量实验”。

2）用磁场传感器连接采集仪A通道，电流传感器连接B通道。

3）在接通电路前，将磁场传感器和电流传感器调零定标。

4）研究螺线管内中心轴线上的磁场分布情况。选择x轴为时间t，单位秒s，y轴为磁感应强度B，单位高斯Gs。螺线管电源通电，按测量图标采集数据，同时把磁传感器沿轴线方向向螺线管内部移动，当探头通过线圈时采集结束，得到B-t曲线。

5）将电路中的滑动变阻器阻值调到最大，磁传感器探头放入线圈内部轴线上某位置不动。开始测量后，移动滑动变阻器的触头，调节电流大小，得到B(I)-t曲线，变换x，y轴坐标得到B-I曲线。

3 实验结果

由于实验中所选用螺线管中磁感应强度较小，所以将纵坐标修改为0-50Gs。利用数据采集系统得到螺线管中心轴线上各点磁感应强度分布如图2所示。

通过图像可以得出以下结论：（1）螺线管内部磁场是呈对称分布，中间部分磁场最强，两端磁场较弱；（2）中间部分曲线趋于水平，说明螺线管中间部分可以近似为匀强磁场。

改变实验中螺线管中电流的大小，分析磁感应强度随电流的变化关系，得到B(I)-t曲线（图3）和 B-I曲线（图4）。

图2 B-t图像

图3 B(I)-t图像

图3中上面曲线表示磁感应强度的变化，下面曲线为电流的变化，可以看出随着电流的增加，螺线管中的磁感应强度也是增加的。进一步研究磁感应强度B与电流I的关系，由图4得到B与I成正比关系，此图像与理论结果B内＝μ0nI是相符合的。

在中学物理电磁学实验中，对于通电螺线管的磁场只能定性研究，无法进行定量的测量。本文利用DIS系统，测量出螺线管轴线上磁感应强度的大小，研究了磁感应强度和电流的关系，并绘制了相关图像，实验过程简单，结果形象直观，体现了现代科学技术在实验教学中的优势。不仅便于学生理解，而且可以增强学生的探究意识，提升学生数字化实验的能力。

［1］贾福荣，吴学文.螺线管轴线上磁场分布的研究[J].内蒙古民族大学学报，2005，11(3)：47-48.

［2］成晓梅.DIS实验系统在物理实验中的应用[J].实验科学与技术，2013，11(1)：34-36.

［3］王劲存，仲扣庄.用 DIS探究影响滑动摩擦力的因素[J].物理实验，2010，30(5)：25-26.

［4］文林，李会.基于 DIS 的超重失重实验研究[J].科技信息，2013(21)：47-48.