磁场分布(北京科技大学物理实验报告)

北京科技大学实验报告

磁场分布

实验目的、原理及实验步骤（见预习报告）

实验数据（附后）及其处理

1、 不同磁极头间隙内的磁场分布特点 ① 情形如图所示

根据数据画出变化趋势图（如下）：

此图表现出随着游标卡尺位臵的变化（实际就是测量位臵从中间向边缘扩展），霍尔效应的电压值先缓慢减小；当到达

2cm 左右位臵的时候迅速下降；当达到2.5cm 是下降速度又减缓。

这说明了，在集束铁芯中间区域，磁场可以看做是匀强磁场，在磁极边缘区域，磁场迅速减小直至为零。（由于游标卡尺位臵的限制，没有测量到磁场为零的位臵）

我们选取的数据点是非常精确的，此种情况下，我们就选择了50组数据。虽然这样做保证了曲线的准确性，但也花费了大量时间去测量了许多不需测量的点。以前做实验都是参照书上提供的测量标准，自己没有去理解选择测量点的用处。所以，当这次实验里纯粹为了多收集数据而没有注意数据的可用性。数据并不是越多越好的，多出的数据就是一种累赘，没有实际的意义。 ② 情形如图所示

③ 情形如图所示

④ 情形如图所示

以上三种情形的图如下所示：

以上三种图形的变化趋势和第一种相似，此处不再鳌述。 测量过程中，我们保证了电流值几乎不变（在0.37~0.4A 之间）。所以，每组数据可以做纵向比较。如下图所示：

在平稳过渡阶段，可见情形③的磁场最大，也就是说它的励磁电流也是最大的。下面情况依次类推。然后，

我们可以清楚地看到，从①~④的迅速变化阶段，④的变化最早，变化最为平稳。这是和磁极的形状有关的。④的平行磁极的面积相对最小，这使它变化最早；又因为它相对的磁极不是直接减为零的，所以它的变化是最慢的。也就是说，④磁极产生的磁感应强度集中区域最少，相对分散区域最大。

而①的情形恰好相反，磁极对应面积最大，然后迅速变为零。

2，U 形磁路及E 形磁路磁场分布研究

① U 形磁路

磁路是由一个U 形线圈、U 形铁块和一个可动长铁块构成。实验中，我们主要测量了同一个位臵（靠近不动部分）的磁场随着铁块位臵，即磁路闭合情况的变化关系。实验数据也是记录了这一信息。实验的关系图如下：

这里需要声明的是：铁块位臵的增加说明的是，铁块和固定部分的距离在减小而不是增大。

当铁块开始远离磁路的时候，磁感应强度迅速衰减。这表明闭合的磁路对漏磁现象的抑制能起到很大的作用。所以说，磁路能减少磁场和磁能的减少。然后，霍尔电压的较少趋于平缓，并最终有一个稳定值。这种情形也是能很好理解的：当铁块距离磁路较远时，整个磁路就不复存在，磁路对磁场的约束作用也消失了。测量出来的磁场是U 形磁铁产生的磁场。当测量位臵恒定的时候，磁场大小就是不变的。

② E 形磁路 A B C

上图所示（系列1

为C 处，系列2为A 处）的是A 和C 处电压随位臵变化关系，这种变化在U 形磁路中已经说过。在这里我想说明的是：通过数据，我们可以C 处的电压初始值较大，但我们用的线圈是两个串联的，电流相同，电压不同就只能说明一个问题：线圈的匝数是C>A 的。

由数据可以看出，B的电压值与A、C处符号相反。这表明E形磁路中间磁极内的磁场方向是和两边磁路磁场方向相反的。

3，两个通电圆线圈的情形

在此实验里，我们测量的是两个线圈中电流方向相同情况下的磁场分布。首先先叙述一下我们的测量方法。我们测量的是不同平面（垂直于线圈中心轴的平面）的磁场分布。具体就是先确定可动圆筒的位臵（实验中共取了10cm、20cm、35cm、50cm四处），然后通过变化测量标尺的位臵来测量磁场。

由实验数据可各自画出一张变化图，有点累赘。因而我把所有情况都用一张图来表示了，这样可以更好的比较四者之间的关系。图如下：

50cm处达到极大值，之后又有所衰减，接着又有个极小值。很明显，在100cm处有个突然增加的地方。当我画这张图时，我毫不犹豫地把这个点当做数据错误点删掉了。但是，当画到第二张图时我发现还有这种情况，第三张时还是有。那时我知道我不该删掉那个点了。那个点不是错误点，而是一个至关重要的点。当超过最高点后，磁场迅速减小，直至为0。

现在，我们思考一下，为何会出现那个突出的点。当测量位臵向线圈边缘靠拢的时候，整个线圈其他位臵产生的磁场在这一点很小，而靠近此点的线圈却能起到特别大的作用。而其他地方（靠进中心轴的那些点）的磁场受到各处磁场的相互制约。在此处外面（100~150cm）的迅速减小是很正常的事了。

我们不妨看一下整个图的变化趋势，是不是有点对称的意思呢？差不多是以50cm处为对称轴。左边的很大部分没有通过测量表现出来，但根据实验的情况来看是必然对称的。所以我们可以大致认为，50cm处为两线圈中心轴的位臵。

当我想要研究中心轴处的磁场分布时，我发现四组数据完全没有办法得出什么结论。我做了中心轴四个点电压的关系图（如下），发现四者是线性减小的，这明显不符合亥姆霍兹线圈的中心轴上磁场的变化。但这也没有办法，数据不足呀！

实验总结

1、此次实验是一个定性的实验，主要考察不同线圈产生磁场的分布情况。过程中虽然涉及到许多量的测

量，但这些测量都是为了定性的叙述。比如位臵这个量，虽然用了游标卡尺测出了不同的位臵，但这

些位臵没有一个参照系，所以也无法定量的描述场的空间分布。但这种测量方法是研究抽象物质的一

种很好的方法，我们不需要有定量的描述，定性的解释就完全够用了。

2、实验中要求根据各种线圈不同的串并联情况研究不同磁路的磁场规律。这个要求我们并未达到，主要

是因为我们对电路中线圈的接线情况和线圈的绕法不是很清楚。

3、实验中还有一个不足之处。我们在测量亥姆霍兹线圈磁场时并不能分析出一个线圈产生磁场对另一个

线圈的影响。这也就是图“中心轴上各点电压大小变化”展示的。所以，我们的测量只能用来研究一

个通电线圈周围产生的磁场，并不能反映两个通电线圈的磁场分布。

4、实验的主要成果有如下方面：

①我们知道了不同的磁集束磁极的磁场分布，这有利于我们设计不同的磁场以满足研究的需要。比

如，我们若需要空间磁场要渐渐地变为零，就最好选择情形④所示的磁极。

②我们理解了磁路闭合的重要性。闭合的磁路才能有效阻止漏磁现象的发生，这对于变压器和其它

相关元件效率的提高是至关重要的。

③对于线圈周围的磁场我们也有了更深刻的了解。同时，我们必须注意对称性研究在实验中的重要

性。

实验数据

1、不同磁极头间隙内的磁场分布特点

①

④

①U形磁路

3，两个通电圆线圈的情形