大学物理演示实验电磁学.docx

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1、大学物理演示实验电磁学大学物理演示实验电磁学 实验五十五 安培力 观察载流直导体，在磁场中受力的情况，验证载流直导体在磁场中受力的方向与磁场和电流的方向三者之间的关系，即验证左手定则。 安培力演示仪，如图55-1所示。 图 55-1 图55-1中，为马蹄形永磁铁，它是由高强度钕铁硼材料制成。是将马蹄形电磁铁固定在竖直支柱上的顶丝。是带动马蹄形永磁铁沿水平方向左右移动的滑块。是双道滑轨。是载流直导体。是导轨，它用来支承载流直导体受力移动。是通电接线柱。是底座。 通电导体在磁场中，会受到磁场力的作用，称为安培力。实验发现，对直导线，安培力的大小与方向由下式表示： rrrF=IlB 可见，力、电流和

2、磁场三者成右手法则。当然，也可以用左手定则来确定安培力的方向。即：伸直右手，使大拇指与其余四指相垂直，磁场穿过手心，让四指指向导体中通电电流的方向，则大拇指的方向就是磁场对电流作用力的方向，即导体所受的安培力的方向。 1将载流直导体铜棒水平放在支承导轨上，并调节其水平位置，使铜棒在马蹄形磁铁的磁场中间。 2接通电源并观察载流直导体铜棒在导轨上滑动的方向。 3改变电流流通的方向，此时，载流铜棒将在导轨上沿相反 68 大学物理演示实验电磁学 方向滑动。 4通过底座导轨的滑块移动马蹄形磁铁，使磁场相对载流铜棒移动，可以观察到载流铜棒也跟着一起运动。 1电路中电阻非常小，因而接通直流电源时间要短，否则

3、电流过大会损坏电源。 2导轨要保持清洁，以便载流铜棒在导轨上无阻力的移动。 实验五十六 洛仑兹力 演示洛仑兹力的存在，加深对洛仑兹力的理解。 直流电源、投影仪、洛仑兹力投影实验器材、和自制小块泡沫，如图56-1所示。其中电源输入电压为交流220V，输出直流为30W；洛仑兹力投影实验器材由磁缸、玻璃皿支架、中心电极和外环铜片电极组成。磁环磁场强度为800高斯。 稀硫酸小泡沫 铜溶液 磁环 电 源 开关 换向开关 图 56-1 磁场对运动电荷的作用力称为洛仑兹力。 vfvB 图 56-2 vv vv设在磁场B中，一带电量为q的粒子，以速度v运动，如图56-2所示。磁场对该带电粒子作用的洛仑兹力为

4、69 大学物理演示实验电磁学 vvvf=q(vB) v则f的大小为 f=qvBsin vvvvvvf的方向始终垂直于v和B组成的平面，当q0时，f与同向；当q0时，vvvvvf与反向。由于f垂直于v，洛仑兹力不改变带电粒子的速度大小，只改变速度vvv的方向；当由于v垂直于B时，带电粒子将在垂直于B的平面内作匀速率圆周运动。 有 v2 qvB=m R由式可得带电粒子圆周运动的回转半径 R=mv qB1将洛仑兹力投影实验装置放在投影仪上，在玻璃皿中加入一定量的稀硫酸铜溶液。 2打开投影仪电源开关，调整投影成象透镜的位置，使硫酸铜液体平面成像在幕上。 3用连接线将直流电源与洛仑兹力投影实验装置准确无

5、误接好。打开直流电源开关，可以看到液体开始以圆心为轴旋转，此时，在液面上放一小块泡沫，观察到液体流动推动泡沫块环向运动，这种现象说明运动电荷在磁场中受到力的作用，这种力称为洛仑兹力。 4使用直流电源换向开关可改变电流方向，再观察液体流动的方向是否也改变了？为什么？ 5如有可能，改变磁场方向，液体流动的方向也将改变。 1加入稀硫酸铜溶液要小心，不要太快，以免溅出来，伤着自己。 2实验完毕后，将外环电极冲洗干净，避免腐蚀实验设备。 70 大学物理演示实验电磁学 实验五十七 电磁感应现象 演示几种最基本的电磁感应现象，理解和掌握电磁感应定律。 1号线圈，均匀绕在内径55mm，长95 mm的骨架上。2

6、号线圈，绕在长85 mm，内径20 mm的骨架上。条形磁铁，为铝铁炭材料，长170 mm，宽20 mm，厚10 mm，磁场强度8001000GS。软铁棒是13 mm130 mm低炭钢材料。24V直流电源自配，最大电流为1.5A。示教电表1个。连接线若干。 E 图 57-1 N 由于通过线圈回路的磁通量随时间变化而在回路中出现电动势的现象称为电磁感应现象。若回路闭合，则会有电流，线圈回路中出现的电流称为感应电流。 法拉第电磁感应定律 i=-Ndm dt式中，N为线圈匝数，m为通过单匝线圈的磁通量，负号是楞次定律的反映。由此负号在结合回路正方向的规定，可以确定回路中感应电流的方向。 由m=BSco

7、s知，其中B(t),S(t),(t)任一量变化，都可能会引起m变化。它们又可以归结为两类： 第一类：磁场不变，导体或导体回路作切割磁力线运动，即S(t)和(t)变化， 71 大学物理演示实验电磁学 引起dmdt变化。在这种情况下，出现的感应电动势称为动生电动势。 vvi动生=(vB)dl L 第二类：导体或导体回路不动，磁场随时间变化，即B(t)变化，引起变化，在这种情况下，出现的感应电动势称为感生电动势。 i感生dmdtv=Edl L1按照图57-1所示，正确连线。 2将1号线圈接入示教电表的“M”接线端子上，将条形磁铁插入线圈后，示教电表即可向一个方向发生偏转。如将条形磁铁反方向插入，则表

8、头向相反方向偏转。多次重复，注意观察示教电表指针偏转方向。 3把电源正负极与2号线圈连接起来，打开电源，调到适当电压，如15伏左右。再将通电后的2号线圈替代条形磁铁，插入1号线圈，观察表头是否发生偏转？偏转大小与不通电时比较并分析。 4在第三步的基础上，把软铁棒插入通电后的2号线圈里，然后一起再插入1号线圈。仔细观察表头发生偏转的现象，并与无铁芯时比较分析。可多次重复。 5将2号线圈的直流电源正负极交换，重复3或4的过程，表头偏转方向是否与上述过程偏转方向相反，为什么？可多次重复。 6先把电源关闭，将软铁棒插入2号线圈并一起放入1号线圈内。这时再打开电源，看到表头指针发生偏转后回到零位，关闭电

9、源时，表头指针反向偏转后回到零位。可多次重复。 1线圈为有机玻璃骨架，切勿掉地，否则摔坏。 2直流电压不能过高，否则将烧坏2号线圈，电压最高不得超过30V，连续通电不能超过30分钟。 72 大学物理演示实验电磁学 实验五十八 电磁波的发射、接收与趋肤效应 1演示电磁波的基本特性及其发射、接收原理，使学生加深对交变电磁场的认识，以及对电磁波的发射与接收过程的理解。 2利用电磁波的电场，用较粗的铜棒做导线演示趋肤效应，使学生更形象地理解此物理现象。 实验装置如图58-1所示。图a为发射机，图b为半波振子接收天线，图c为环形接收天线，图d为氖泡棒，图e为趋肤效应演示天仪。 C D B A G H J

10、 图a 图b 图c 图d 图e 图 58-1 1.发射机如图a所示，A为发射电源，输入电压为220V，50Hz交流，输入功率为85W，输出直流为600V，交流为6.3V。 B为高压开关，C为电源开关。D为交流电压表。发射管F为中功率电子管，采用自激推挽振荡。发射天线H与振荡回路G直接藕合，发射波长约为150cm。发射天线是一条长为74cm的直铜管，在发射机的尾部放一反射天线J，它是一根长为78cm的直铜管。 73 大学物理演示实验电磁学 2半波振子接收天线由两根拉杆天线组成，中间装有6.3V的小电珠，调节其长度可改变它的固有频率。 3在环形接收天线上装有6.3V小电珠和微调电容器，用绝缘起子调

11、整微调电容器改变其频率，以演示发射天线上的电流振幅与磁场方向。 4氖泡棒是在一根绝缘棒的顶端装有氖泡，以演示发射天线的电压振幅。 5趋肤效应演示仪的两个小电珠分别连在铜棒表层和芯处，在同一频率交流电下，铜棒表层电流密度大，内层电流密度小。因此，把该仪器平行放在发射天线附近时与表层连接的小电珠亮，而与内层连接的不亮。 (一)电磁波的发射 1电流随时间作周期性变化的现象叫电磁振荡。能产生电磁振荡的电路叫振荡电路。L-C电路是等振幅的电磁振荡。 随着时间变化的电场和磁场相互激发，将电磁振荡向空间传播开去，便形成电磁波。 2振荡电路辐射电磁波的三个条件 1）电路必须开放，使电场能量和磁场能量尽可能向空

12、间开放。 2）由平均辐射功率P知，振荡频率必须足够高，才能保证能量的有效发射。 3）必须不断提供能量，补偿电感L的耗能和辐射能，保证等振幅振荡的实现。 3改造L-C振荡电路为振荡电偶极子，实现上述三个条件，便能有效的向空间辐射电磁波。 4电磁波的性质 1）电磁波是横波，具有多普勒效应和偏振现象。 2vvvvv2）电矢量E垂直于磁矢量H且垂直于传播方向，并且传播速度c沿EH的方向。 vv3）E振动和H振动同相位。 vv4）E和H的振幅值成比例：E0=H0。 真空中有 E00=120 H00 5）电磁波在真空中的传播速度 c=100=3108m/s 5电磁波的能流密度矢量坡印廷矢量 vvv S=E

13、H (二)趋肤效应 74 大学物理演示实验电磁学 I 图 58-2 如图58-2所示。当流过导线的电流是交变电流I=I0sint时，导线内外出现交变磁场，因此在导线内产生涡电流。设某时刻通过导线的电流I正在增大，导线内产生的涡电流方向如图58-2所示，靠近导线中心的涡电流的方向与原电流I的方向相反，而在导线表面附近涡电流的方向与原电流I的方向相同，结果是导线表面附近的电流密度较大，形成电流趋向于沿导线表面流动。这种现象称为趋肤效应。 实验表明，交变电流的频率越高，趋肤效应越显著。在频率很高时，如10MHz，电流绝大部分集中在导线表面附近，在这种情况下，根据此原理，可使用空心导体代替实心导体，即

14、节省材料，有可减轻重量。 1检查发射机上的电子管是否固定好，接收天线上小电珠是否完好，拉杆天线接头处的螺钉是否拧紧。 2关闭高压开关，接通电源，预热5分钟，待发射管烧热后即可进行演示。 3演示电磁波接收及电磁共振。将半波振子接收天线移到正对发射天线50cm左右，使接收天线与发射天线平行，接通高压开关，接收天线上的小电珠发亮。将接收天线拉长或缩短，接收天线上的小电珠就变暗或熄灭，只有当接收天线为某一长度时，小电珠最亮，因为此时接收天线的固有频率与接收的电磁波频率相同，产生共振。 4演示电磁波的电场方向。保持半波振子接收天线与发射天线距离为50cm左右，接收天线长度为共振时长度。将半波振子接收天线

15、绕接收天线轴心转动360，可以观察到只有当接收天线与发射天线平行时，小电珠最亮，由此可以确定电磁波的电场方向。演示完毕，关闭高压开关。 5演示电磁波的磁场方向。打开高压开关，手持环形接收天线到离发射天线20cm左右，使其水平，用绝缘起子调整环形接收天线的微调电容器，使环形天线上的小电珠达到最亮。把环形天线沿发射天线一端移向另一端，发现中央最亮两端不亮，这是由于发射天线的长度是发射电磁波的半波长，两端为电流为波节，中央为电流波腹磁场最强。转动环形天线的平面，当水平放置时，小电珠达到最亮，由此定出电磁波的磁场方向，与上面演示相比较就可以使同学形象地看到电磁场波的电场与磁场是互相垂直的。同时还可以加

16、深对磁通概念的认识。演示完毕，关闭高压开关。 6演示发射天线的电压振幅。打开高压开关，将氖泡棒的氖泡靠在发射天线上，由一端移至另一端，由于半波长发射天线中的电流与电压相位差约为/2，两端电压最大为波腹，中部电压为零是波节，氖泡在高频电压过低时就不激发氖气发光，因此氖泡在天线两端最亮，当靠近中部时就熄灭了。在发射振荡回路，可以看到类似的现象。演示完毕，关闭高压开关。 75 大学物理演示实验电磁学 7演示趋肤效应。打开趋肤效应演示仪，接通直流电路，可见两个小电珠同时亮且亮度相同，此时无趋肤效应。关闭趋肤效应演示仪，打开高压开关，并把该演示仪平行放在距离发射天线约50cm处，可发现两端与铜棒外层连接

17、的小电珠发亮，而两端与芯处连接的小电珠不亮。 8关闭高压开关，关闭电源开关，取下220V电源插头。 1使用此仪器时，要先打开电源开关，后打开高压开关，关闭时，先关闭高压开关，后关闭电源开关。 2打开高压前，要将配套的接收天线，氖泡棒等远离发射机，以防打开高压后烧毁小电珠。 实验五十九 交流发电机原理 通过演示发电机的工作原理，理解和掌握法拉第电磁感应定律。 手摇发电机，2.3伏指示灯，如图59-1所示。 磁铁 线圈 电极 指示灯 图 59-1 手摇把 v 在均匀磁场中，有一平面线圈，面积为S，线圈匝数是N。t=0时，线圈平面与B垂直。若让线圈以角速度作切割磁线转动，如图59-2所示。则在绕垂直

18、于磁场的轴 vt时刻时，通过单匝线圈的磁通量 m=BScost 76 大学物理演示实验电磁学 v vB S 图 59-2 根据法拉第电磁感应定律，此时刻线圈中的感应电动势是 i=-N令 dm=NBSsint dt0=NBS ，则有 i=0sint 式中的i称为交流电动势。 若线圈回路中电阻为R，则有 Ii=i0=sint RR式中的Ii称为交流电流。 摇动发电机，看到灯泡发出闪光，若加快摇动的速度，闪光逐渐变成连续，并且亮度逐渐增加。这是由于转速越快，单位时间内的磁通量变化越大，因而感生电动势越大，灯泡亦越亮。 77 大学物理演示实验电磁学 实验六十 趋肤效应 演示趋肤效应现象。 趋肤效应演示

19、仪，小灯泡两只，实验装置如图60-1所示。 中心指示灯 表面指示灯 高 低 电源指示灯 频率指示灯 电源开关 频率选钮 图 60-1 在直流电路中，均匀导体横截面上的电流密度是均匀的。但当交流电流通过导体时，随着频率的增加，在导体横截面上的电流分布越来越向导体表面集中，所以，接在导体表皮上的小灯泡比接在导体中间的小灯泡要亮的多，这种现象就叫做趋肤效应。 1先将高低频率开关打到低频档。 2接通电源，看到此时支架上的两个小指示灯一样亮。 3再将高低频率开关打到高频档，注意观察此时支架上的两个小灯泡亮度明显不同。这现象即显示高频电路导体中间与表面电流密度分布不一样。 4实验后，关闭电源。 1 实验结

20、束后，注意把高低频率开关打到低频档上。 78 大学物理演示实验电磁学 实验六十一 电磁阻尼摆 观察金属摆在交变电场中，由于涡流的存在而受到的阻尼。 电磁阻尼摆演示仪，220伏交流电源，如图61-1所示。 图 61-1 在线圈未加电时，电磁铁没有被励磁，所以，摆动不受阻碍。但当线圈通有交流电时，电磁铁被励磁，由于摆动使穿过摆的磁通量发生改变，在金属摆内产生感应电流即涡流。由楞次定律知道，涡流的效果是反抗引起涡流的原因，所以，金属摆因受到阻力而很快停止。 1在未通电时，观察金属摆是否能自由地摆动。 2接通交流电源，再观察金属摆摆动的情况，是否很快就停了下来？ 1由于线圈直接接在交流220伏上，因此

21、，不能长时间通电，观察完现象，要及时把电源插头拔下。 79 大学物理演示实验电磁学 实验六十二 涡电流效应-感应炉 观察在交变电流的作用下，感应环内形成涡流，发热使感应环内蜡的熔化现象。 初级线圈，铁芯，感应环，蜡，如图62-1所示。 铁芯 初级线圈 图 62-1 感应环 处在交变磁场中的金属块，由于受变化磁场产生的感生电动势作用，将在金属块内引起内涡旋状的感应电流，称为涡旋电流。由于金属块的电阻很小，涡流可以达到非常大的程度。强大的涡流会产生大量的焦耳热，这就是感应加热的原理。感应加热广泛用于有色金属和特种合金的冶炼、焊接及真空技术方面。然而在很多情况下，涡流发热却是有害的。例如变压器和电机

22、的铁芯，由于处于交变磁场中，铁芯会因涡流而发热，不仅浪费了电能，而且发热会使铁芯温度升高引起导线绝缘性能下降，甚至造成事故。为此，常用增大铁芯的电阻来减小涡电流，如把铁芯做成层状，用薄层的绝缘材料把各层铁芯隔开。 将初级线圈接220V电源并插入铁芯，然后将感应环套入铁芯内，在环槽内放入少量的蜡，过约半分钟，蜡即由于涡流所产生的热而被熔化。 1 由于初级线圈功耗较大，故不能长时间通电，观察到实验现象后，即关闭电源。 2 实验结束后，不要触摸感应环，以免烫伤。 80 大学物理演示实验电磁学 实验六十三 互感现象 观察一通有交变电流的线圈对另一线圈的互感效应及铁芯在电磁感应中所起的作用。 初级线圈，

23、铁芯，带灯泡的感应线圈，金属圆环，如图63-1所示。 铁芯 带灯泡的感应线圈 初级线圈 图 63-1 当一个线圈中的电流发生变化时，不仅在自身线圈中产生自感电动势，同时在邻近的其它线圈中还产生感应电动势。这种由于一个线圈中电流发生变化而在附近的另外一个线圈中产生感应电动势的现象叫做互感现象。这种感应电动势叫做互感电动势。 1将初级线圈接上电源，在没有铁芯时，将带灯泡的感应线圈接近初级线圈，发现灯泡几乎不亮。然后将铁芯插入初级线圈，再把带灯泡的感应线圈移近初级线圈，看到灯泡发亮。 2将铝制闭合金属环套入铁芯中，观察到铝环向上运动；再将不闭合的金属环套入，则铝环不动。为什么？ 由于初级线圈功耗较大

24、，故不能长时间通电，观察到实验现象后，即关闭电源。 81 大学物理演示实验电磁学 实验六十四 对比式楞次定律 利用磁铁和同样大小的铝块，在闭合和有开口的金属管自里运动，演示楞茨定律，可加深同学对这部分内容的理解。 1三根比较用的铝管，它是由A、B、C三根长一米，截面为2520mm的方形铝管构成，其中B管的四个侧面、交错裁有长200mm的细窄缝、在三个管的最下端正侧面开有高100mm，宽25mm的长方形孔。如图64-1所示。 2钕铁硼材料制成的磁体两块，为222228mm的长方体磁体E，相同大小的铝块F。如图64-1右边图所示。 A B C E D F 图 64-1 图64-1中，A，C为方形铝

25、管，B是开缝铝管，D为底座，E是钕铁硼磁块，F是铝块。 磁铁块在导体管下落，导管中产生感生电流。根据楞茨定律可知，感生电流总是反抗引起感生电流的原因，因此下落磁铁块将不断地受到磁力的阻碍作用，而缓慢下降。铝块在导体管下落过程中，导体管中没有感生电流产生，所以不受电磁阻尼的作用，而以重力加速度g匀加速快速下落，管壁的摩擦力和空气阻力很小忽略。 1左手持磁铁块E，右手持铝块F，分别从A、C两铝管的上端口，同时释放。从A、C两铝管下端开口处，观察磁铁块和铝块下落的情况，并注意比较磁铁块与铝块的下落先后。 2两手持相同的磁铁块分别从A、B两铝管的上端口同时释放。同样，从A、B两铝管下端开口处，观察磁铁

26、块和铝块下落的情况，将看到A管中的磁铁块如同1中所述的情况一 82 大学物理演示实验电磁学 样，缓慢地下落，B管中的磁铁块沿开有缝隙的铝管B中快速下落。这是由于B管中产生的感生电流很小，受到的电磁阻尼也小，所以快速地先于A管中的磁铁块下降到下端开口处。 1演示所用的两块磁铁为NdFeB材料制成，磁性很强，切勿将两块磁铁靠近或吸合在一起，以免撞碎磁铁或夹坏手。 2由于实验器材全部采用铝合金结构，切勿磕碰、防止结构变形，影响实验效果。 实验六十五 跳环式楞次定律 利用通电线圈及线圈内的铁芯所产生的变化磁场与铝环的相互作用，演示楞次定律。 楞次定律演示仪，铝环。如图65-1所示。 铁芯 线圈 开口环

27、 闭合环 底座 操作开关 电源开关 带孔环 图 65-1 当线圈通有电流时，在铁芯中产生交变磁场，穿过闭合的铝环中的磁通量发生变化。根据楞次定律，套在铁芯中的铝环将产生感生电流，感生电流的方向与线圈中的电流方向相反。因此与原线圈相斥，相斥的电磁力使得铝环上跳。 1闭合铝环的演示 打开演示仪电源开关，将闭合铝环套入铁棒内按动操作开关。当操作开关接通时，则闭合铝环高高跳起，保持操作开关接通状态不变，闭合铝环则保持一定高度，悬在铁棒中央。断开操作开关时，闭合铝环落下。 83 大学物理演示实验电磁学 2带孔铝环的演示 把闭合铝环取下，将带孔的铝环套入铁棒内按动操作开关。当操作开关接通时，则带孔的铝环也

28、向上跳起，但跳起的高度没有闭合铝环高。保持操作开关接通状态不变，带孔的铝环也保持一定高度，悬在铁棒中央某一位置，但还是没有闭合铝环悬的高。断开操作开关时，带孔的铝环落下。这是由于带孔的铝环产生的感生电流没有闭合铝环大，所以带孔的铝环没有闭合铝环跳的高。 3开口铝环的演示 把带孔的铝环取下，将开口铝环套入铁棒内按动操作开关。当操作开关接通时，开口铝环静止不动。这是由于开口铝环没有形成闭合回路，无感生电流，没有受到电磁力的作用，故静止不动。 4演示完毕后，关闭楞次定律演示仪电源。 不要长时间按动操作开关，以免使线圈过热而损坏。 阻尼摆与非阻尼摆 演示涡电流的机械效应。 阻尼摆与非阻尼摆演示仪，如图

29、66-1所示。其中直流电源接线柱；矩形磁轭，作用是当线圈中通有直流电源时，可在磁轭两极缝隙中间产生很强的磁场；支撑架；摆架；非阻尼摆；横梁；阻尼摆；线圈；底座。直流稳压电源。 处在交变电磁场中的金属块，由于受变化电磁场产生的感生电动势作用，将在金属块内引起涡旋状的感生电流，把这种电流称为涡电流。 在图66-1所示的实验装置中，但金属摆在两磁极间摆动时，由于受切割磁力线运动产生的动生电动势的作用，也将在金属摆内出现涡电流。 根据安培定律，当金属摆进入磁场时，磁场对环状电流的上、下两段的作用力之和为零；对环状电流的左、右两段的作用力的合力起阻碍金属摆块摆进的作用。当金属块摆出磁场时，磁场对环状电流

30、的左、右两段的作用力的合力则起阻碍金属摆块摆出的作用。因此，金属摆总是受到一个阻尼力的作用，就像在某种粘滞介质中摆动一样，很快地停止下来，这种阻尼起源于电磁感应，故称电磁阻尼。 若将图66-1中的金属摆制成有许多隔槽的，使得涡流大为减小，从而对金属摆的阻尼作用变的不明显，金属摆在两磁极间要摆动较长时间才会停止下来。 电磁阻尼摆在各种仪表中被广泛应用，电气机车和电车中的电磁制动器就是根据此原理而制造的。 84 大学物理演示实验电磁学 图 66-1 1把稳压电源输出的正负极连接到阻尼摆与非阻尼摆演示仪的直流电源接线柱，阻尼摆按图66-1所示接好。 2打开稳压电源电源开关，先不要打开稳压电源的“输出

31、”开关，即不通励磁电流，让阻尼摆在两极间作自由摆动，可观察到阻尼摆经过相当长的时间才停止下来。 3再打开稳压电源的“输出”开关，电压指示为28伏，此时在磁轭两极间产生很强的磁场。当阻尼摆在两极间前后摆动时，阻尼摆会迅速停止下来，说明了两极间有很强的磁阻尼。解释现象。 4将带有间隙的类似梳子的非阻尼摆代替阻尼摆作上述2和3的实验，可以观察到不论通电与否，其摆动都要经过较长的时间才停止下来。为什么？ 1操作前应把矩形磁轭和支撑架调整到位，确保摆动顺畅。 2注意不要长时间通电，以免烧坏线圈。 85 大学物理演示实验电磁学 实验六十七 通电、断电自感现象 演示通电、断电自感现象，了解产生自感的原因。

32、通电、断电自感演示仪。 线圈中电流i发生改变时，通过自身回路的磁通量n发生变化，从而产生自感电动势。理论计算表明 i=-Ldi dt式中L称为自感系数。 由式可知，在通电时，因为自感作用使的电流缓慢增加。当在断电瞬间，因为di相当大，从而产生一个相当高的自感电动势。 dt实验原理图如67-1所示， 220V交流电压经变压器降压、桥式全波整流电容滤波之后输出直流电源E。由于通电的一瞬间、电感L会产生一个自感电动势。同样，断电的瞬间，电感L也会产生一个自感电动势。 K1 + E L1 220伏 K2 图 67-1 L L2 1通电自感现象 首先将K1、K2断开，再接通交流电源，按下K1开关，同时观

33、察灯泡L1和L2亮的顺序。可看到当K1接通的瞬间， 灯泡L1先亮，灯泡L2滞后L1才亮。这是由于K1接通瞬间，L1直接并接在电源E上，所以接通后，它马上就亮；而L2是与电感L串联之后才并接在电源上的，电感L会产生一个自感电动势，使得L2滞后于L1。这就充分说明了通电时的自感现象。为了看的清楚可以反复将K1接通和断开。 2断电自感现象 86 大学物理演示实验电磁学 将K1、K2断开，接通交流电源，按下K1开关，此时灯泡L1和L2都亮着，可顺便观察通电自感现象。将K2合上，即将L2短路，再把K1断开，即断开直流电源E，同时注意观察。可以发现在断电的瞬间，L1突然亮了一下，比正常通电时还亮，这就是断

34、电自感现象。由于，断电的瞬间，电感L也会产生一个自感电动势，并通过L1放电，使得L1发光。为了观察清楚，可以反复将K1通断。 1因为演示板背后电源变压器初级为220V，切勿触摸，防止触电。 2演示仪不能承受剧烈振动，防止将灯泡振坏。 实验六十八 磁聚焦实验 演示运动电荷在磁场中受到的洛仑兹力和磁场对电子束的聚焦作用。 示波管，聚焦线圈，磁场开关，电源开关，灰度调节，位移调节，线圈电源插座。其中电源电压交流220V，示波管采用8SJ31J示波管，其加速电压为1100V，外型尺寸400280260mm。如图68-1所示。 示波管 线圈电源插座 聚焦线圈 磁场开关 电源开关 灰度调节 位移调节 图

35、68-1 vv如图68-2所示，当带电粒子沿与磁场B成角方向以速度v斜向进入磁场时，磁场对其v的分运动作用，使之在垂直B的平面内作匀速率圆周运动，磁场对v/的分运动无作用，粒子在沿B方向上作匀速直线运动。结果带电粒子沿B方向作螺旋线运动。 vvv 87 大学物理演示实验电磁学 v v q v/图 68-2 vB 带电粒子的回旋半径： R=mvmv=sin qBqB2R2m= vqB带电粒子的回旋周期： T=带电粒子的螺距： h=v/T=2mvcos qB从式可知，带电粒子的回旋周期与速度大小无关。 设有许多速度大小相同、方向各异的带电粒子组成的带电粒子束从P0点出发，如图68-3所示。 vB

36、p0 图 68-3 p 因为带电粒子的回旋周期T与带电粒子的速度v无关，所以，所有带电粒子将同时回到P0所在的那条母线P0-P上。又由于各带电粒子速度方向各异即不同，其v/各不相同，因此在同一时间内，它们沿母线前进的距离不等，即这些粒子不能会聚于P点。 但当带电各粒子的角均很小时，cos1，v/v。则从P0出发的带电各粒子将在时间T内前进相同距离 h=2mv qB而会聚于P点。此即“磁聚焦”。电子显微镜中的“磁透镜”就是根据此原理而制成的。 1打开电源开关，预热3分钟，在示波管显示屏上出现电子束光斑。记住光斑形状。 2调节灰度及位移旋钮，使光斑位于显示屏中央且灰度适中。 3打开聚焦线圈磁场开关

37、，则观察到在线圈的磁场作用下，电子束光斑会聚于显示屏中间一点，并与关闭磁场开关时的电子束光斑比较。 88 大学物理演示实验电磁学 4移动聚焦磁场线圈，仔细观察，可以看到，电子束的螺旋轨迹和光斑会聚过程。 5关闭聚焦线圈电源即关闭磁场开关，外加一永久磁铁，将会观察到电子束在洛仑兹力的作用下产生偏转的现象。 1在演示磁聚焦时，注意不要有外磁场的影响。 2线圈电源打开时间不易过长，以免线圈过热烧毁。 3示波管比较娇贵，注意保护，避免受到硬物的撞击。 实验六十九 磁滞回线 1学习与了解铁磁质的磁滞特性。 2由示波器观察铁磁质的磁滞回线。 TH-MHC型磁滞回线实验仪，示波器。 铁磁材料除了具有高的磁导

38、率外，另一重要的磁性特点就是磁滞。设铁磁性材料已沿起始磁化曲线磁化到饱和，磁化开始饱和时的磁感应强度值用BS表示。如果在达到饱和状态之后使H减小，这时B的值也要减小，但不沿原来的曲线下降，而是沿着上一条曲线段下降，对应的B值比原先的值大，说明铁磁质磁化过程是不可逆的过程。当 H=0时, B 不为零，而是B=Br，Br称为剩余磁感应强度，简称剩磁，这是铁磁质的剩磁现象。要消除剩磁，使铁磁质中的B 恢复为零，需加反向磁场HC，反向磁场强度HC称为矫顽力。继续增加反向磁场 HC 。材料又可被反向磁化达到反方向的饱和状态，以后再逐渐减小反方向的磁场至零值时，B和H的关系将沿左下段变化，这时改变线圈中的

39、电流方向，即又引入正向磁场。当磁场强度变化一个周期后，铁磁质的磁化曲线形成一个闭合曲线，则形成如图65-1所示的闭合回线。从图65-1中可以看出，磁感应强度B值的变化总是落后于磁场强度H的变化，这种现象称为磁滞，是铁磁质的重要特性之一，上述闭合曲线常称为磁滞回线。各种不同的铁磁性材料有不同的磁滞回线，主要是磁滞回线的宽、窄不同和矫顽力的大小有别。磁滞回线是介质内部磁场强度H和磁感应强度B的关系曲线。 要测定材料的磁滞回线，需要根据磁化过程测定材料内部的磁场强度H及其相应的磁感应强度B，测量过程比较繁复。用示波器显示则比较简便，只需要把待测的量H转换为激磁电流I在取样电阻R上的电压，输入到示波器

40、的X轴；把待测量B也转换成电流量，并串入适当值的电容C，利用RC积分电路进行积分，最后取电容C两端的电压输入到示波 89 大学物理演示实验电磁学 器Y轴，则可得到铁磁材料磁滞回线的图形。 图69-1 磁滞回线 1电路连接：在实验仪上选定一个样品，按实验仪机箱上所给定的电路图连接线路，把R1选择调到2.5，U选择调节到0，UH和UB分别连接到示波器的通道1和通道2端子。插孔为公共。将示波器的TIME/DIV旋钮反时针旋到底档。 2样品退磁：开启实验仪电源，对试样品进行退磁。即顺时针转动“U选择”旋钮，令U从0增加到3V，然后再反时针方向转动，将U从最大值3V减到0，目的是消除剩磁，使测试样品处于

41、磁中性状态，即B=H=0。 3、观察磁滞回线：打开示波器电源，适当调节光点的亮度和聚焦，使光点清晰，同时调节光点的水平位置和CH2的垂直位置，使光点位于坐标网格的中心。令U=2.2V，分别适当调节CH1和CH2的灵敏度使显示屏上出现大小适当的磁滞回线，若滞回线顶部出现编织状小环，可以适当降低励磁电压予以消除。 4观察、比较样品1和样品2的磁滞回线。请注意，在将测试线路从一个样品移向另一个样品时，请关闭测试电源。接入样品后，首先应退磁。 实验七十 超导磁悬浮列车 通过利用超导体对永磁体的排斥和吸引的作用，演示磁悬浮和磁倒挂，理解和掌握磁悬浮原理。 1超导磁悬浮列车演示仪，如图70-1所示。由二部分组成：磁导轨支架、磁导轨。其中磁导轨是用550 240 3椭圆形低碳钢板作磁轭，按图70-2所示的方式铺以18 106 mm的钕铁硼永磁体，形成磁性导轨，两边轨道仅起保证超导体周期运动的磁约束作用。