自制亥姆霍兹线圈的设计与应用研究

赵小军 丁良峰

(西安交通大学苏州附属中学 江苏 苏州 215006)



自制亥姆霍兹线圈的设计与应用研究

赵小军 丁良峰

(西安交通大学苏州附属中学 江苏 苏州 215006)

电磁学是高中物理教学的重点和难点，有效地开展实验教学是解决难点的重要手段.电磁学演示实验中经常需要磁场，而常规的实验器材因为提供的磁场范围小、不均匀，影响了演示效果.自制可旋转亥姆霍兹线圈，结合教学进行应用研究，是提高这类实验演示效果的一个途径.

亥姆霍兹线圈 匀强磁场 电磁学实验

1 背景

高中电磁学中有很多概念都比较抽象，如磁感应强度、安培力等.做好演示实验可以帮助学生形成直观认识，继而进一步建立概念，总结规律.常规做法中提供的实验用磁场存在若干不足：磁场范围较小，磁场的方向不能根据实验要求进行调整，无法提供匀强磁场.如果有一个平台提供较大范围的匀强磁场，将极大地改善课堂演示实验的效果.基于这样的考虑，笔者与同事设计并制作了可以旋转的亥姆霍兹线圈实验平台(图1).

图1 可旋转亥姆霍兹线圈

2 仪器原理与制作

2.1 仪器原理及特点

亥姆霍兹线圈是两个相同、彼此平行且共轴的线圈.线圈通同方向电流，理论计算证明：线圈间距等于线圈半径时，两线圈的合磁场在轴上附近较大范围内是均匀的.可旋转亥姆霍兹线圈就是将自制的亥姆霍兹线圈通过两个水平轴装在竖直框架上的装置.仪器的主要特点是：可提供匀强磁场，磁场空间大，线圈可以绕水平轴旋转.经过实验测得自制亥姆霍兹线圈中间磁场的磁感应强度与励磁电流如表1所示，根据图2可以看出二者之间有很好的线性关系.因此还可以实现对磁场强弱的定量研究.

表1 亥姆霍兹线圈励磁电流与磁感应强度数据

图2 亥姆霍兹线圈电流与磁场关系

2.2 仪器制作

笔者制作的亥姆霍兹线圈作为一个能够完成多种实验的平台，结构如图3所示.

①底座；②接线柱；③支架；④线圈；⑤带限位功能的刻度盘

仪器可以分成3部分：亥姆霍兹线圈、支架、底座.

亥姆霍兹线圈是用五夹板做成两组凹槽缠绕0.7 mm的漆包线绕制而成.每组线圈240匝，线圈内径240 mm，外径280 mm，线圈间距130 mm.将亥姆霍兹线圈通过两个水平轴与框架连接，线圈可以绕轴转动.在线圈侧面装有一个圆形的刻度盘，通过刻度可以判断线圈绕水平轴转动的角度.

支架用绝缘材料做成(为对比实验效果先后做了两个，分别采用木材和亚克力)，顶部装有一个可旋转挂架、一个圆形刻度盘.挂架上装有两个接线柱可以外接电源，挂架可以悬挂导线棒.刻度盘可以显示挂架旋转的角度.

底座上装有接线柱，用导线分别将其与顶部挂架接线柱和亥姆霍兹线圈连接，通过接线柱可以实现为线圈和挂架上的悬挂导线供电.在底座上还装有两个水平仪，帮助底座调节水平.

3 仪器的应用

3.1 安培定则的验证

将小磁针分别摆放在线圈内部和线圈的正前方，给线圈通电，观察其通电前后小磁针的指向情况.可观察通电环形线圈周围的磁场分布，如图4所示，验证安培定则.

图4 线圈通电后周围小磁针分布

3.2 左手定则的验证

将导线粘在细的木条上，用细的漆包线悬挂在挂架上，保证木条水平，按照接线柱颜色通上励磁电流，给悬挂在挂架上的导线通以电流，发现导线向左侧偏转，如图5所示.根据右手定则判断亥姆霍兹线圈中磁场的方向，悬挂导线的偏转方向与左手定则判断结果一样.改变励磁电流方向或是导线电流方向继续验证左手定则.

图5 左手定则验证实验

3.3 探究影响安培力大小的因素

人教版教材的安培力演示器材，原理如图6所示，安培力的大小变化主要通过导线摆动的角度进行比较，实际演示效果并不理想.主要存在的问题是蹄形磁铁磁场弱，磁场的大小和方向都不能变化.利用可旋转亥姆霍兹线圈可以提供较大范围的磁场，还可以改变磁场的大小和方向，较好地完成这个实验.(1)保持其他各条件不变，只改变磁感应强度B大小(通过改变励磁电流的大小实现)，观察悬线摆角大小变化，研究安培力F大小与B大小的关系；(2)只改变导线中电流I大小，研究安培力F大小与I大小的关系；(3)只改变粘在木条上导线的匝数，研究安培力F大小与L的关系；(4)通过旋转亥姆霍兹线圈改变磁场方向，确定B与I垂直时安培力F最大.

图6 安培力演示实验

3.4 演示磁悬浮实验

当磁场方向为水平时，依据左手定则调节励磁电流方向使安培力方向向上，当励磁电流增加或是导线中电流变大时，导线会向上移动一定的高度，导线受到的安培力、重力与给导线通电的细导线的弹力平衡，实现“磁悬浮”，如图7所示.

图7 磁悬浮演示实验

3.5 其他实验应用

自制的亥姆霍兹线圈可以提供一个较大的磁场空间，满足很多实验的需求.如演示洛伦兹力，将阴极射线管挂在磁场中，不仅可以演示阴极射线在洛伦兹力作用下偏转，还可以观察磁场与阴极射线平行时射线的运动情况，如图8所示.加上交变电流，还可以完成电磁感应的一些实验.

图8 洛伦兹力演示实验

4 自制亥姆霍兹线圈应用的思考

在部分电磁学演示实验中应用自制的可旋转亥姆霍兹线圈，解决了传统实验器材无法克服的一些困难，增强了演示效果.同时，作为一个实验平台提高了实验仪器的利用率.在教具的应用研究中发现，可旋转亥姆霍兹线圈还有继续改进的空间，利用它产生的磁场并结合其他设备，可开发更多的实验项目.

1 叶祥胜. 改进型安培力演示器的制作和演示. 物理通报，2013(11)：69～70

2 凌锡帮. 探究安培力实验装置的简易制作方法. 物理通报，2010(5)：93

3 刘燕. 对“磁场对通电导线的作用”一课的思考. 物理实验，2016(2)：42～44

赵小军(1973- )，男，中教高级，主要研究方向为物理教学.

丁良峰(1981- )，男，中教一级，主要研究方向为通用技术教学.

2016-10-04)