新型安培力定量测量仪

唐子璇

通过对高中物理《选修3-1》磁场部分知识的学习和研究，我了解到磁铁和电流都能产生磁场。

法国学者安培著名的分子环流假说中提到，在原子、分子等物质微粒的内部有一种环形电流——分子电流。分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体，它的两侧相当于两个磁极。一根铁棒未被磁化时，内部分子电流的取向杂乱无章，它们的磁场互相抵消，对外不显磁性。当铁棒受到外界磁场的作用时，各分子电流的取向变得大致相同，铁棒被磁化，两端对外界显示出较强的磁作用，形成磁极。

不仅通电导线对磁体有作用力，磁体对通电导线或运动的电荷也有作用力。我们把磁场对通电导线的作用力叫作安培力，把磁场对运动电荷的作用力叫作洛伦兹力。

既然稳恒磁场对电流或运动电荷的作用力是安培力或洛伦兹力，那么磁极间的作用力与安培力或洛伦兹力有怎样的联系？

一、由载流平面线圈在均匀磁场中受力矩作用引起的思考

载流平面线圈在均匀磁场中只受到力矩的作用，直到线圈的磁矩方向转动到与外磁场的方向一致为止。它不会受到沿磁场方向的作用力，不会出现沿磁场方向的平动。

可将磁铁看作载流螺线管，而螺线管由线圈组成，两根螺线管间的作用是一根螺线管产生的磁场对另一根螺线管电流的作用，也就是对螺线管中所有载流线圈的作用。既然一个线圈只受力矩作用，合力为零，整个载流螺线管也只受力矩作用，总的合力为零。

也就是说，当两根螺线管在力矩的作用下转到与它们的磁矩方向一致时，不会再有相互作用，不会出现同性相斥、异性相吸，但事实并非如此。

如果将两根螺线管或两块磁铁挂起来，或放在光滑的平面上，它们转动到与磁矩方向一致后会互相靠拢，彼此之间存在相互作用力，这是为什么？

二、问题的提出

载流螺线管线圈在磁场中所受的合力为零，这一结论与事实不符。原因是忽略了均匀磁场。

因为螺线管外或磁体外部的磁场是非均匀磁场，在非均匀磁场中，线圈上各电流元所处的磁感应强度不同，受力不同，其合力矩一般不为零，合力也不为零，因此，载流线圈在非均匀磁场中除了转动外还有平动。当转动到它的磁矩与磁场方向一致时，合力矩为零，但合力不为零，而且指向磁场方向的反方向。因此，悬挂的螺线管或磁铁转动到与磁矩方向一致后仍存在相互作用，作用力的方向指向磁场的反方向，其表现就是异性相吸。

三、设计制作

为了更好地对磁体之间的相互作用力进行研究，验证磁体之间的作用力就是安培力，

我以废旧生物显微镜的支架作为主体，利用显微镜的上下、左右移动装置进行改装。

我用物理支架支撑底座，将有机玻璃圆板作为台面，利用车床、钻床加工成新型安培力定量测量仪。它主要由磁体、受力左右调节器、电流传感器、电源、数据采集器、电流调节滑动变阻器、线圈导线、力传感器、实验平台、电流源探测器、支架主体、上下调节器等组成，可用来测量一个微小的通电平面线圈在磁场中受到的安培力。

四、工作原理

通电平面线圈能在磁场中上下、左右移动，通过测量线圈所在位置的安培力、线圈中的电流大小、线圈长度，可以计算得到该位置的磁感应强度分量，进而得到空间区域的磁感应强度的均匀度。由安培力计算公式F=BILsinθ可得Bsinθ= F/IL（Bsinθ为线圈导线所在处磁感应强度的竖直分量）。

在高中物理教学过程中，磁感应强度的教学缺乏理想的实验器材，主要是因为孤立的电流元是不存在的，而将较短的导线视为电流元来做实验，其所受的力太小，不易测出。

我把电流元换成较小的通电线圈，通过线圈放大电流元所受的作用力。磁体采用圆柱形超强铁钕薄磁体，通电线圈被置于其正下方且与其平行，让环形线圈与磁力线垂直，线圈在通电的情况下可产生稳定的磁场，这样通电线圈产生的磁场与磁体产生的磁场就会产生相互吸引或相互排斥力，用传感器可以测量这个力F。

通过增减线圈的匝数来改变L的长短，通过调节滑动变压器来改变电流I的大小。通过移动磁体来检验在不同位置磁感应强度B的强弱。实验中，采用控制变量法测量多组I、L、F，通过比较F/IL的比值关系，引出磁感应强度B的概念，如图4。

将电源、滑动变阻器、电流传感器、线圈连接成4联电路，打开计算机及数据采集系统，调整数据。

五、测试分析

利用DISLab软件采集、分析数据，将通电线圈分别放在磁场中A、B、C、D、E、F、G、H、I各点，测量线圈在各个点受到的安培力，进而计算得到该点的磁感应强度。

分析数据发现，同一位置F与IL的比值是定值，不同位置比值不同，说明该物理量反映的是该处的一个特殊性质，可将其定义为磁感应强度。

A、B、C三点的测量数据表明，距离磁体越远，磁感应强度越小，且減小程度与距离并非成线性关系。D、E、F、G的测量数据表明，磁体周围磁感应强度具有对称性。H、E、I的测量数据表明，磁体周围并非均匀磁场。

六、结论

1.新型安培力定量测量仪操作简单，测量精度高，能验证磁体周围磁感应强度的分布情况。

2.该测量仪可以为高中物理教学提供一个很好的引入磁感应强度概念的方式，使学生容易理解和学习。

3.该测量仪通过研究通电线圈在磁场中不同位置的受力情况，能说明磁体之间的作用力本身就是安培力，让学生理解磁体之间相互作用的本质。（指导老师：唐迎华）