疏松载流螺线管轴线上磁场的分布研究

叶友琴

摘要：本文主要研究了疏松载流螺线管轴线上磁场的分布情况，此次实验主要测量的数据有螺线管轴线不同位置上的径向磁场和轴向磁场。本文首先介绍了实验的装置，然后介绍了实验过程中的八个步骤，最后分析了实验的结果。本次实验的结果表明了疏松型螺线管轴线上的轴向磁场与螺距之间呈近似线性关系。

关键词：疏松螺线管；轴线；磁场

中图分类号：G633.7 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）16-0255-02

疏松载流螺线管的使用范围非常广泛，但是，通常其内部的磁场分布比一般的螺线管磁场分布更复杂，所以会采用数值计算的方法来研究磁场的分布情况。本文设计了一个实验来测量疏松载流螺线管轴线上的磁场，实验器材分别是绕制的弹簧和磁场传感器，该磁场传感器是由美国著名的PASCO公司生产的。实验主要测量了轴线上的轴向磁场和径向磁场，并研究了轴向磁场与螺距之间存在的关系，最终数值计算与得到的实验结果是相一致的。实验的结果可以表明疏松型螺线管轴线上的轴向磁场与螺距呈近似线性关系。另外，此次试验也可以作为物理课的选作实验，帮助学生更好地了解疏松载流螺线管轴线上磁场的分布情况，并有助于他们更深刻的理解做物理实验的意义。

一、实验的装置

以下图一是实验使用的装置示意图，该装置使用锰钢丝做成弹簧，将吊桶放在弹簧的下面，便可以将砝码放在吊桶里面。如果砝码的质量达到了一定的数值，弹簧就会被拉开，然后连通电源，整个装置就变成了疏松螺线管。在螺线管的上面有一个有机玻璃板，在有机玻璃板上开了一个圆孔，而疏松螺线管就固定在这个开孔的玻璃板上，安装时要注意对准圆孔的中心位置。另外，对于圆孔的直径也有一定的要求，需要保证其大小能够让传感器探头沿着轴线自由的上下移动，而有机玻璃板则放在两台铁架台上固定好，之所以使用两个铁架台是为了使有机玻璃保持水平。磁场传感器是放在升降台上的，只要对升降螺母进行调节便可以使其上下的移动，这样便可以对不同位置的不同磁场进行测量。值得一提的是，磁场传感器可以同时对相互垂直的两个方向进行测量。在本次实验当中，主要是通过对方向开关进行调节来测量轴线上的径向磁场和轴向磁场的。

在本次实验中，轴线的原点是疏松螺线管上端口部分，将原点与传感器探头之间的距离定为x，通过对升降螺母进行调节，可以测量到径向磁场与轴向磁场随着x变化的数据分布情况。将x固定不变，改变砝码的质量，那么，螺距就会出现变化，这就可以用来研究螺距与磁场之间的关系。

二、实验过程

实验主要分为以下几个步骤。

1.按照上面的装置图连接好整个线路。

2.运行计算机，然后打开计算机中的DataStudio程序，选择实验设置中的磁场传感器，最后将数据显示窗口里面的表格选中。

3.往吊桶里面放入20g的砝码，等到螺线管拉开并稳定之后，连通电源，通过调节滑线变阻器，将电流调到0.2A。

4.想将电键断开，将方向开关调到竖直方向，然后点“启动”按钮，这时开始测量的是地磁场沿螺线管轴线的方向上的磁感应强度分量，点“停止”，便停止了磁场的测量。同样的，再将方向开关调到水平方向，点“启动”按钮，这时所测量的则是垂直于螺线管轴线方向的磁感应强度分量，最后点“停止”按钮。

5.调节升降螺母，将磁场传感器探头调节到螺线管上端口，也就是让x=0cm，然后将电键合上，测量此时的径向磁场和此时的轴向磁场，然后重复第（四）个步骤。

6.通过升降螺母，将磁场传感器探头降低0.2cm，在调节过程中传感器要保持在轴线的中央位置。然后再次进行第（五）个步骤，以此测量出传感器探头下降0.2cm、0.4cm……3.0cm时的径向磁场和轴向磁场。不过，因为磁场传感器探头的不能无限伸长，其长度是有限的，所以只能测量出部分磁场分布的情况。

7.往吊桶里面加砝码，依次的增加重量，让质量以此为30g、40g、50g，然后重复第（五）、（六）步，对不同螺距下的径向磁场和轴向磁场沿轴线的分布情况进行测量。

8.调节升降螺母，将磁场传感器探头调到x=0.2、0.8、1.4…2.6cm，然后测量吊桶里砝码的质量分别为20g、30g、40g…110g时的轴向磁场，以此测量出轴向分量B轴向和螺距之间存在的关系。

三、实验结果与分析

在此次实验中，疏松螺线管有三十匝，通过测量得到疏松螺线管的直径有24mm，实验中的电流为0.2A，地磁场的B轴向为2.5T，而B径向为3.5T。通过实验可以发现疏松载流螺线管轴线的磁场分布非常复杂，比一般的密绕载流螺线管要复杂很多，径向磁场不等于零。轴线的轴向磁场会随着螺线管端口与轴线上点之间的距离的增大而增加，在增加到都一定的值以后就不再变化，接近为匀强磁场。另外，当弹簧上放的砝码的质量不同的时候，在轴线同一地方的轴向磁场会有明显的不同，砝码质量改变了，疏松载流螺线管的螺距也就会发生变化，这表明了螺线管的磁感应强度和螺距之间有较大的关系。图二和图三分别是不同砝码质量下径向磁场的分布曲线、不同砝码质量下轴向磁场的分布曲线。从曲线可以看出，螺线管的螺距和砝码质量之间成正比关系，对于疏松螺线管轴线来说，在其同一位置的轴向磁场会与螺线管螺距之间成反比，也就是说，螺线管螺距增大的时候，轴向磁场B轴向反而会变小，它们之间的关系接近线性关系。

四、结论

本文主要是关于测量疏松载流螺线管轴线上磁场的实验，对轴线上的径向磁场和轴向磁场进行了测量，此次实验得到的结果和统计数据相一致，说明了本次实验的设计是可行的。这个实验可以作为物理课的选作实验，它可以帮助学生更清晰地认识到螺线管内部的磁场分布情况，有利于学生学习如何通过传感器来测量一些物理量。endprint

摘要：本文主要研究了疏松载流螺线管轴线上磁场的分布情况，此次实验主要测量的数据有螺线管轴线不同位置上的径向磁场和轴向磁场。本文首先介绍了实验的装置，然后介绍了实验过程中的八个步骤，最后分析了实验的结果。本次实验的结果表明了疏松型螺线管轴线上的轴向磁场与螺距之间呈近似线性关系。

关键词：疏松螺线管；轴线；磁场

中图分类号：G633.7 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）16-0255-02

疏松载流螺线管的使用范围非常广泛，但是，通常其内部的磁场分布比一般的螺线管磁场分布更复杂，所以会采用数值计算的方法来研究磁场的分布情况。本文设计了一个实验来测量疏松载流螺线管轴线上的磁场，实验器材分别是绕制的弹簧和磁场传感器，该磁场传感器是由美国著名的PASCO公司生产的。实验主要测量了轴线上的轴向磁场和径向磁场，并研究了轴向磁场与螺距之间存在的关系，最终数值计算与得到的实验结果是相一致的。实验的结果可以表明疏松型螺线管轴线上的轴向磁场与螺距呈近似线性关系。另外，此次试验也可以作为物理课的选作实验，帮助学生更好地了解疏松载流螺线管轴线上磁场的分布情况，并有助于他们更深刻的理解做物理实验的意义。

一、实验的装置

以下图一是实验使用的装置示意图，该装置使用锰钢丝做成弹簧，将吊桶放在弹簧的下面，便可以将砝码放在吊桶里面。如果砝码的质量达到了一定的数值，弹簧就会被拉开，然后连通电源，整个装置就变成了疏松螺线管。在螺线管的上面有一个有机玻璃板，在有机玻璃板上开了一个圆孔，而疏松螺线管就固定在这个开孔的玻璃板上，安装时要注意对准圆孔的中心位置。另外，对于圆孔的直径也有一定的要求，需要保证其大小能够让传感器探头沿着轴线自由的上下移动，而有机玻璃板则放在两台铁架台上固定好，之所以使用两个铁架台是为了使有机玻璃保持水平。磁场传感器是放在升降台上的，只要对升降螺母进行调节便可以使其上下的移动，这样便可以对不同位置的不同磁场进行测量。值得一提的是，磁场传感器可以同时对相互垂直的两个方向进行测量。在本次实验当中，主要是通过对方向开关进行调节来测量轴线上的径向磁场和轴向磁场的。

在本次实验中，轴线的原点是疏松螺线管上端口部分，将原点与传感器探头之间的距离定为x，通过对升降螺母进行调节，可以测量到径向磁场与轴向磁场随着x变化的数据分布情况。将x固定不变，改变砝码的质量，那么，螺距就会出现变化，这就可以用来研究螺距与磁场之间的关系。

二、实验过程

实验主要分为以下几个步骤。

1.按照上面的装置图连接好整个线路。

2.运行计算机，然后打开计算机中的DataStudio程序，选择实验设置中的磁场传感器，最后将数据显示窗口里面的表格选中。

3.往吊桶里面放入20g的砝码，等到螺线管拉开并稳定之后，连通电源，通过调节滑线变阻器，将电流调到0.2A。

4.想将电键断开，将方向开关调到竖直方向，然后点“启动”按钮，这时开始测量的是地磁场沿螺线管轴线的方向上的磁感应强度分量，点“停止”，便停止了磁场的测量。同样的，再将方向开关调到水平方向，点“启动”按钮，这时所测量的则是垂直于螺线管轴线方向的磁感应强度分量，最后点“停止”按钮。

5.调节升降螺母，将磁场传感器探头调节到螺线管上端口，也就是让x=0cm，然后将电键合上，测量此时的径向磁场和此时的轴向磁场，然后重复第（四）个步骤。

6.通过升降螺母，将磁场传感器探头降低0.2cm，在调节过程中传感器要保持在轴线的中央位置。然后再次进行第（五）个步骤，以此测量出传感器探头下降0.2cm、0.4cm……3.0cm时的径向磁场和轴向磁场。不过，因为磁场传感器探头的不能无限伸长，其长度是有限的，所以只能测量出部分磁场分布的情况。

7.往吊桶里面加砝码，依次的增加重量，让质量以此为30g、40g、50g，然后重复第（五）、（六）步，对不同螺距下的径向磁场和轴向磁场沿轴线的分布情况进行测量。

8.调节升降螺母，将磁场传感器探头调到x=0.2、0.8、1.4…2.6cm，然后测量吊桶里砝码的质量分别为20g、30g、40g…110g时的轴向磁场，以此测量出轴向分量B轴向和螺距之间存在的关系。

三、实验结果与分析

在此次实验中，疏松螺线管有三十匝，通过测量得到疏松螺线管的直径有24mm，实验中的电流为0.2A，地磁场的B轴向为2.5T，而B径向为3.5T。通过实验可以发现疏松载流螺线管轴线的磁场分布非常复杂，比一般的密绕载流螺线管要复杂很多，径向磁场不等于零。轴线的轴向磁场会随着螺线管端口与轴线上点之间的距离的增大而增加，在增加到都一定的值以后就不再变化，接近为匀强磁场。另外，当弹簧上放的砝码的质量不同的时候，在轴线同一地方的轴向磁场会有明显的不同，砝码质量改变了，疏松载流螺线管的螺距也就会发生变化，这表明了螺线管的磁感应强度和螺距之间有较大的关系。图二和图三分别是不同砝码质量下径向磁场的分布曲线、不同砝码质量下轴向磁场的分布曲线。从曲线可以看出，螺线管的螺距和砝码质量之间成正比关系，对于疏松螺线管轴线来说，在其同一位置的轴向磁场会与螺线管螺距之间成反比，也就是说，螺线管螺距增大的时候，轴向磁场B轴向反而会变小，它们之间的关系接近线性关系。

四、结论

本文主要是关于测量疏松载流螺线管轴线上磁场的实验，对轴线上的径向磁场和轴向磁场进行了测量，此次实验得到的结果和统计数据相一致，说明了本次实验的设计是可行的。这个实验可以作为物理课的选作实验，它可以帮助学生更清晰地认识到螺线管内部的磁场分布情况，有利于学生学习如何通过传感器来测量一些物理量。endprint

摘要：本文主要研究了疏松载流螺线管轴线上磁场的分布情况，此次实验主要测量的数据有螺线管轴线不同位置上的径向磁场和轴向磁场。本文首先介绍了实验的装置，然后介绍了实验过程中的八个步骤，最后分析了实验的结果。本次实验的结果表明了疏松型螺线管轴线上的轴向磁场与螺距之间呈近似线性关系。

关键词：疏松螺线管；轴线；磁场

中图分类号：G633.7 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）16-0255-02

疏松载流螺线管的使用范围非常广泛，但是，通常其内部的磁场分布比一般的螺线管磁场分布更复杂，所以会采用数值计算的方法来研究磁场的分布情况。本文设计了一个实验来测量疏松载流螺线管轴线上的磁场，实验器材分别是绕制的弹簧和磁场传感器，该磁场传感器是由美国著名的PASCO公司生产的。实验主要测量了轴线上的轴向磁场和径向磁场，并研究了轴向磁场与螺距之间存在的关系，最终数值计算与得到的实验结果是相一致的。实验的结果可以表明疏松型螺线管轴线上的轴向磁场与螺距呈近似线性关系。另外，此次试验也可以作为物理课的选作实验，帮助学生更好地了解疏松载流螺线管轴线上磁场的分布情况，并有助于他们更深刻的理解做物理实验的意义。

一、实验的装置

以下图一是实验使用的装置示意图，该装置使用锰钢丝做成弹簧，将吊桶放在弹簧的下面，便可以将砝码放在吊桶里面。如果砝码的质量达到了一定的数值，弹簧就会被拉开，然后连通电源，整个装置就变成了疏松螺线管。在螺线管的上面有一个有机玻璃板，在有机玻璃板上开了一个圆孔，而疏松螺线管就固定在这个开孔的玻璃板上，安装时要注意对准圆孔的中心位置。另外，对于圆孔的直径也有一定的要求，需要保证其大小能够让传感器探头沿着轴线自由的上下移动，而有机玻璃板则放在两台铁架台上固定好，之所以使用两个铁架台是为了使有机玻璃保持水平。磁场传感器是放在升降台上的，只要对升降螺母进行调节便可以使其上下的移动，这样便可以对不同位置的不同磁场进行测量。值得一提的是，磁场传感器可以同时对相互垂直的两个方向进行测量。在本次实验当中，主要是通过对方向开关进行调节来测量轴线上的径向磁场和轴向磁场的。

在本次实验中，轴线的原点是疏松螺线管上端口部分，将原点与传感器探头之间的距离定为x，通过对升降螺母进行调节，可以测量到径向磁场与轴向磁场随着x变化的数据分布情况。将x固定不变，改变砝码的质量，那么，螺距就会出现变化，这就可以用来研究螺距与磁场之间的关系。

二、实验过程

实验主要分为以下几个步骤。

1.按照上面的装置图连接好整个线路。

2.运行计算机，然后打开计算机中的DataStudio程序，选择实验设置中的磁场传感器，最后将数据显示窗口里面的表格选中。

3.往吊桶里面放入20g的砝码，等到螺线管拉开并稳定之后，连通电源，通过调节滑线变阻器，将电流调到0.2A。

4.想将电键断开，将方向开关调到竖直方向，然后点“启动”按钮，这时开始测量的是地磁场沿螺线管轴线的方向上的磁感应强度分量，点“停止”，便停止了磁场的测量。同样的，再将方向开关调到水平方向，点“启动”按钮，这时所测量的则是垂直于螺线管轴线方向的磁感应强度分量，最后点“停止”按钮。

5.调节升降螺母，将磁场传感器探头调节到螺线管上端口，也就是让x=0cm，然后将电键合上，测量此时的径向磁场和此时的轴向磁场，然后重复第（四）个步骤。

6.通过升降螺母，将磁场传感器探头降低0.2cm，在调节过程中传感器要保持在轴线的中央位置。然后再次进行第（五）个步骤，以此测量出传感器探头下降0.2cm、0.4cm……3.0cm时的径向磁场和轴向磁场。不过，因为磁场传感器探头的不能无限伸长，其长度是有限的，所以只能测量出部分磁场分布的情况。

7.往吊桶里面加砝码，依次的增加重量，让质量以此为30g、40g、50g，然后重复第（五）、（六）步，对不同螺距下的径向磁场和轴向磁场沿轴线的分布情况进行测量。

8.调节升降螺母，将磁场传感器探头调到x=0.2、0.8、1.4…2.6cm，然后测量吊桶里砝码的质量分别为20g、30g、40g…110g时的轴向磁场，以此测量出轴向分量B轴向和螺距之间存在的关系。

三、实验结果与分析

在此次实验中，疏松螺线管有三十匝，通过测量得到疏松螺线管的直径有24mm，实验中的电流为0.2A，地磁场的B轴向为2.5T，而B径向为3.5T。通过实验可以发现疏松载流螺线管轴线的磁场分布非常复杂，比一般的密绕载流螺线管要复杂很多，径向磁场不等于零。轴线的轴向磁场会随着螺线管端口与轴线上点之间的距离的增大而增加，在增加到都一定的值以后就不再变化，接近为匀强磁场。另外，当弹簧上放的砝码的质量不同的时候，在轴线同一地方的轴向磁场会有明显的不同，砝码质量改变了，疏松载流螺线管的螺距也就会发生变化，这表明了螺线管的磁感应强度和螺距之间有较大的关系。图二和图三分别是不同砝码质量下径向磁场的分布曲线、不同砝码质量下轴向磁场的分布曲线。从曲线可以看出，螺线管的螺距和砝码质量之间成正比关系，对于疏松螺线管轴线来说，在其同一位置的轴向磁场会与螺线管螺距之间成反比，也就是说，螺线管螺距增大的时候，轴向磁场B轴向反而会变小，它们之间的关系接近线性关系。

四、结论

本文主要是关于测量疏松载流螺线管轴线上磁场的实验，对轴线上的径向磁场和轴向磁场进行了测量，此次实验得到的结果和统计数据相一致，说明了本次实验的设计是可行的。这个实验可以作为物理课的选作实验，它可以帮助学生更清晰地认识到螺线管内部的磁场分布情况，有利于学生学习如何通过传感器来测量一些物理量。endprint