探究直流導(dǎo)線周圍磁場的變化

歐英雷

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣自動化系，廣東 廣州510510）

1 引 言

電流能產(chǎn)生磁場，這種現(xiàn)象稱為電流的磁效應(yīng)．穩(wěn)恒電流只能存在于閉合回路中，閉合回路的形狀和大小千變?nèi)f化，每個載流的閉合回路產(chǎn)生的磁場與它的形狀、大小和位置都有關(guān)．在研究有一定形狀和大小的載流閉合回路產(chǎn)生的磁場時，可以把它們分割為許多無窮小的載流元，每個載流元看作是一段直電流．只要弄清楚任意一段直電流產(chǎn)生的磁場的規(guī)律，就可以利用磁場疊加的方法，把整個載流閉合回路產(chǎn)生的磁場的規(guī)律概括出來．在實際情況中，若在閉合回路中有一段長度為l的直導(dǎo)線，在其附近d?l的范圍內(nèi)，可以近似認(rèn)為該導(dǎo)線為無限長的直導(dǎo)線，因此直電流產(chǎn)生的磁場μ0為真空磁導(dǎo)率．當(dāng)l足夠大，d足夠小時，B就能確定．本文設(shè)計了一套實驗裝置，該裝置的特點在于能方便地利用閉合的螺線管來測量出直電流周圍磁場的變化情況．

2 實驗方法

磁場也能產(chǎn)生電流，為了驗證磁場的存在和變化，可以通過檢測感生電流的存在與否來判定．在穿過閉合電路所包圍的面積中的磁通量發(fā)生變化時，該電路中就會產(chǎn)生感生電流．筆者設(shè)計了相應(yīng)的實驗裝置就可以將變化電流產(chǎn)生磁場，變化磁場又產(chǎn)生感應(yīng)電流的相互關(guān)系反映出來．

2．1 探究直電流周圍磁場變化的實驗裝置

圖1中，R為變阻器，K為換向開關(guān)，ab為直導(dǎo)線，G為靈敏電流計（零位在中間），ab垂直于P所在的平面．

圖1 探究直流導(dǎo)線周圍磁場變化的實驗電路圖

本實驗裝置最關(guān)鍵的部分為P，P為螺繞環(huán)，是在磁導(dǎo)率為μ的圓環(huán)形芯子上，均勻而緊密地繞有N匝的線圈．這個圓環(huán)形的螺線形線圈是密繞的，可以把它近似地看成是一系列圓線圈并排起來組成的．當(dāng)ab垂直穿過P平面的中心時，直電流ab產(chǎn)生的磁場的磁感線是沿著垂直于ab的平面內(nèi)的同心圓．因此螺繞環(huán)中的線圈能最大限度地接收直電流磁場的磁感線數(shù)目．通過P的電磁感應(yīng)作用使閉合電路中G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)．

1）當(dāng)ab中的I恒定時，G的指針指零．P中沒有感應(yīng)電流，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，說明直電流ab周圍的磁場的磁通量沒有發(fā)生變化，也就是穩(wěn)恒電流周圍的磁場也是穩(wěn)恒的．

2）通過K改變ab中I的方向時，G的指針發(fā)生瞬時偏轉(zhuǎn)．說明P中出現(xiàn)了短暫的感應(yīng)電流，螺繞環(huán)有電磁感應(yīng)現(xiàn)象，ab周圍的磁場發(fā)生了變化，即直導(dǎo)線中電流方向改變時，其周圍的磁場的方向也發(fā)生改變．

3）通過K接通或斷開ab中的I時，G的指針均發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但方向相反．這表明P中發(fā)生了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，ab周圍的磁場發(fā)生了變化．

4）利用變阻器R迅速增加ab中的I值時，G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)．表明穿過螺繞環(huán)線圈中的磁通量發(fā)生了變化，使螺繞環(huán)線圈中出現(xiàn)了感應(yīng)電流．從而證明ab中電流增大時，其周圍的感應(yīng)強度也將增大．

5）利用變阻器R迅速減少ab中的I值時，G的指針向反向偏轉(zhuǎn)．表明穿過螺繞環(huán)線圈中的磁通量發(fā)生了改變，使螺繞環(huán)線圈中出現(xiàn)了感應(yīng)電流，但其電流方向與上述情況相反．從而證明ab中電流減少時，其周圍的感應(yīng)強度也將減?。?/p>

除了上述的幾種情況以外，還可以通過改變直導(dǎo)線ab與螺繞環(huán)P之間的位置關(guān)系，來檢驗實驗裝置是否還能正確地判斷直電流周圍磁場的變化規(guī)律．使ab與P的平面處于平行狀態(tài)，即ab在P平面的上方，在P平面的下方，在P平面的左側(cè)、右側(cè)、前方或后方，然后，重復(fù)進(jìn)行上述各項實驗，結(jié)果無論直導(dǎo)線電流I的方向如何，是否改變，大小是恒定、增加還是減少，螺繞環(huán)閉合電路中的靈敏電流計的指針均指在零位．這充分說明P中沒有發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，穿過P中線圈的磁通量沒有發(fā)生變化．因此，在這些情況下，無法判斷直電流ab周圍的磁場的變化規(guī)律，達(dá)不到應(yīng)有的實驗?zāi)康模?/p>

另外，將直導(dǎo)線置于螺繞環(huán)P橫截面的圓心處，改變螺繞環(huán)P的半徑，在ab垂直于螺繞環(huán)平面的情況下，P的半徑越大，當(dāng)流過ab的電流的大小和方向發(fā)生變化時，螺繞環(huán)電路中靈敏電流計指針偏轉(zhuǎn)的角度越?。@表明距離直導(dǎo)線越遠(yuǎn)處，由于直電流的改變而引起的周圍磁場的變化也越?。?/p>

2．2 進(jìn)一步改進(jìn)的實驗裝置

利用螺繞環(huán)裝置可方便地探究出直電流周圍的磁場變化情況，但由于受到直導(dǎo)線電流周圍的磁場較弱，穿過螺繞環(huán)線圈的磁通量的改變量較小等因素的影響，本裝置在實際實驗過程中，不可避免地會出現(xiàn)靈敏度不高，從而影響了本實驗裝置用于測定直導(dǎo)線電流周圍磁場的變化情況的應(yīng)用．為了改變這種狀況對本實驗裝置進(jìn)一步改進(jìn)和完善，使其更能適合于課堂上的實際操作．具體的改進(jìn)電路如圖2所示．

圖2 改進(jìn)實驗裝置電路圖

圖2中，R為變阻器，K為正反向開關(guān)，ab為直導(dǎo)線，G為靈敏電流計（零位在中間），ab垂直穿過圓柱體P的中心．

P是縱剖面為矩形的圓柱體線圈，裝置圖中只是畫出了半個圓柱體線圈的圖形．該線圈是在磁導(dǎo)率為μ的空心的圓柱體芯上，均勻而緊密地繞有N匝的線圈．在圖3中，圓柱形線圈的內(nèi)環(huán)半徑為r1，外環(huán)半徑為r2，高為h．當(dāng)r1足夠小，而h又足夠大，且r1?ab時，在真空中通以電流I的直導(dǎo)線ab，在其周圍相距為r1處的磁感應(yīng)強度為為真空磁導(dǎo)率．

圖3 圓柱體線圈結(jié)構(gòu)

改進(jìn)以后的實驗裝置中出現(xiàn)了圓柱體線圈，而圓柱形線圈的最大特點是圓柱形線圈中的每個矩形線圈所確定的平面均與通電直導(dǎo)線ab平行．直導(dǎo)線電流ab產(chǎn)生的磁場的磁感應(yīng)線是一系列沿著垂直于導(dǎo)線ab的平面內(nèi)的同心圓，其磁感應(yīng)強度的方向均垂直于每個矩形線圈的平面．根據(jù)磁通量的定義，這種情況下的線圈接收的磁感線條數(shù)將達(dá)到最大值，從而提高了每個矩形線圈中單位時間內(nèi)磁通量的變化量，使得法拉第電磁感應(yīng)的現(xiàn)象更加明顯，更加易于通過實驗裝置觀察、檢驗和測量到電磁感應(yīng)的電流值，從而使利用簡單、方便的方法驗證直電流周圍磁場變化的規(guī)律成為可能．因此，可以利用這套實驗裝置，重新進(jìn)行上述各項實驗內(nèi)容，也就是通過改變K和R，改變ab中電流的大小和方向，觀察G的指針偏轉(zhuǎn)情況來進(jìn)一步驗證直電流ab周圍磁場的變化，同樣可以得到相同的結(jié)論．

3 結(jié)束語

探究直流導(dǎo)線周圍磁場變化的規(guī)律，是基礎(chǔ)物理學(xué)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，利用直觀的可操作的簡便裝置來反映抽象的看不見的磁場與電流的聯(lián)系，對于物理教學(xué)具有一定的現(xiàn)實意義．本文提出的這套實驗裝置，不但簡單方便，可操作性強，而且還涉及到了較多的電磁現(xiàn)象，可以進(jìn)行多個電磁實驗，更好地驗證了直電流周圍磁場的變化情況．