CN203397581U - 安培力实验器 - Google Patents
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Abstract
一种安培力实验器,包括底座、线圈、角度转盘、磁铁、微力传感器、电流传感器和学生电源;底座上通过转轴安装有角度转盘,角度转盘上设有转动角度刻线,角度转盘上固定有两块磁铁,两块磁铁的N极和S极相对;底座上在角度转盘的一侧设置有立柱,立柱上固定安装有支架,立柱下部在角度转盘上方设置有指针,微力传感器安装在支架上;微力传感器上悬挂有线圈,线圈处于两块磁铁之间,线圈上根据匝数设置抽头,其中一个为公共抽头,其余为匝数抽头,电流传感器一端与线圈上的公共抽头连接;学生电源、电流传感器和线圈串联在一起,形成闭合回路。该实验器可以单独研究某一个变量对安培力大小的影响与关系,计数准确、操作简单。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于测量安培力(磁场对电流的作用力)、电流以及电流与磁场方向的实验器,属于物理实验教学技术领域。
背景技术
磁场对电流的作用力通常称为安培力,目前的教学中一直缺乏能够直接测量出安培力、电流、电流方向和磁场方向夹角,以探究归纳上述各物理量之间关系的实验装置。教材对于安培力的描述是:通电导线在磁场中受到的作用力。电流为I、长为L的直导线在匀强磁场B中受到的安培力大小为:F=ILBsin(θ),其中(θ)为电流方向与磁场方向间的夹角。因此,要想准确的验证以上结论,必须定量测出安培力、电流、磁感强度、导线长度及电流方向与磁感强度方向的夹角五个物理量。而在传统实验中,多采用测力计、电流表、直尺完成三个物理量的测量,由于测力计的灵敏度不高,要想获得较大的安培力,必须增强磁感强度或加大供电电流,但受控于以上两个因素,安培力一般小于1N。所以,用测力计准确测出安培力的值,是非常困难的,因此,定量实验很难完成。
随着电子技术和信息技术的发展,测量力与电流的传感器逐渐应用于该实验中,但由于测量模型的不完善,使得该实验的进展不大,即使有部分与传感器配合使用的实验模型,但也存在的诸多的弊端。如CN2011200649485公开的一种《安培力实验仪》所描述的实验装置,其改变供电方向与磁场方向的夹角是通过调节线圈(同步带动传感器)的方向来实现,这种方式测量某几个固定角度,无法使角度匀速变化,不能观察角度变化时,安培力动态变化的结果,且操作复杂,使用非常不方便。该实验仪所用的磁场是用电磁铁来实现,由于其传感器的灵敏度受限,要想取得稳定的安培力,需要较大的供电流支撑,实验条件要求提高,且存在一定的不安全因素。
发明内容
本实用新型针对现有安培力实验技术存在的不足,提供一种计数准确、操作简单,能够准确的测量出实验数据的安培力实验器。
本实用新型的安培力实验器,采用以下技术解决方案:
该安培力实验器,包括底座、线圈、角度转盘、磁铁、微力传感器、电流传感器和学生电源;底座上通过转轴安装有角度转盘,角度转盘上设有转动角度刻线,角度转盘上固定有两块磁铁,两块磁铁的N极和S极相对;底座上在角度转盘的一侧设置有立柱,立柱上固定安装有支架,立柱下部在角度转盘上方设置有指针,微力传感器安装在支架上;微力传感器上悬挂有线圈,线圈处于两块磁铁之间,线圈上根据匝数设置抽头,其中一个为公共抽头,其余为匝数抽头,电流传感器一端与线圈上的公共抽头连接;电流传感器与学生电源的负极和线圈的公共抽头连接,学生电源的正极与线圈的一个匝数抽头连接,学生电源、电流传感器和线圈串联在一起,形成闭合回路。
所述底座上设置接线柱及插座,接线柱的数量与线圈上的抽头数一致,各个接线柱分别通过导线与插座中的各个接线端一一对应连接,所述线圈上的各个抽头均连接至一个抽线插头,该抽线插头与底座上的插座连接。
实验时,将学生电源负极、电流传感器、线圈的公共抽头、线圈上的一个匝数抽头、学生电源正极串联在一起,形成闭合回路;微力传感器和电流传感器通过数据采集器连接到计算机,将两个传感器调零,打开学生电源,调节学生电源电压,记录微力传感器数据;转动角度转盘改变磁场与通电线圈的角度,观察微力传感器示数变化,保持电流和线圈匝数不变,调整角度转盘位置,使磁场方向与电流方向平行,观察微力传感器示数为零,改变角度转盘角度,记录微力传感器示数变化,探究安培力F和电流方向与磁场方向间的夹角θ的关系;保持夹角θ与匝数不变,改变供电电流,测出一组数据,探究安培力F与电流I 的关系;保持夹角θ与电流I不变,改变线圈的匝数(即相当于改变导线的长度L),测出一组数据,探究安培力F与导线长度L的关系。最后总结验证F=BILsin(θ)。
本实用新型通过微力传感器自动记录安培力大小,因微力传感器灵敏度较高,可测得0.001N的变化,保证了实验的成功率;电流传感器测量电流的数值,对供电电流的要求符合教学仪器的标准;只要转动角度转盘即可改变电流方向与磁场方向夹角,并且可匀速连续转动;通过学生电源控制电流,通过插拔接线柱来改变线圈匝数的同时可改变通电导线长度,可以单独研究某一个变量对安培力大小的影响与关系,计数准确、操作简单。
附图说明
图1是本实用新型的整体结构示意图。
图2是本实用新型中底座的结构示意图。
图中:1、微力传感器,2、挂钩,3、线圈,4、磁铁,5、角度转盘,6、底座,7、接线柱,8、插座,9、抽线插头,10、指针,11、立柱,12、电流传感器,13、螺栓,14、支架,15、轴承,16、转轴。
具体实施方式
如图1所示,本实用新型的安培力实验器包括底座6、线圈3、角度转盘5、磁铁4、立柱11、支架14、指针10、微力传感器1和电流传感器12。如图2,底座6上通过转轴16安装有轴承15,角度转盘5安装在轴承15上,可绕轴承15转动,角度转盘5上设有转动角度刻线。角度转盘5上固定有两块N极和S极相对的永久磁铁4,形成一定的匀强磁场空间。底座6上在角度转盘5的一侧设置有立柱11,立柱11上通过螺栓13固定安装有呈I型的支架14,立柱11下部在角度转盘5上方设置有指针10,指针10可上下调节,必要时可与角度转盘5接触,起到一定的制动作用。微力传感器1安装在支架14上。微力传感器1的挂钩2上悬挂有线圈3。线圈3处于两块磁铁4之间,线圈3内缠绕线圈并按不同匝数设有多个抽头(本实施例中设置三个抽头,其中一个抽头为公共抽头,另两个分别为100匝和200匝的抽头),各个抽头通过一条多芯线(三芯线)连接至抽线插头9。底座6上设置接线柱7及插座8,接线柱7的数量与线圈3上的抽头数一致,设置一个黑色接线柱和多个红色接线柱,黑色接线柱7通过插座8和抽线插头9与线圈3的公共抽头连接,红色接线柱通过插座8和抽线插头9与线圈3各匝数的抽头连接。各个接线柱分别通过导线与插座8中的各个接线端一一对应连接,当抽线插头9***插座8时,黑色接线柱通过抽线插头9与线圈3中的公共抽头导通,各红接线柱通过抽线插头9分别与线圈3的各匝数(100匝和200匝)抽头导通。
电流传感器12与学生电源(另配)的负极和黑色接线柱(公共抽头)连接,学生电源正极与其中的一个红色接线柱连接,即学生电源、电流传感器12、线圈3串联在一起,形成闭合回路。微力传感器1和电流传感器12通过数据采集器连接到计算机(数据采集器和计算机未画出),数据采集器同时采集微力传感器1和电流传感器12的数据并将数据送入计算机,通过显示器显示出来。通过微力传感器1和电流传感器12自动记录数据或图线,计数同步且准确;只要转动角度转盘5,就可改变电流方向和磁场方向夹角大小,通过更换学生电源正极连接的红色接线柱,就可以改变线圈匝数。
使用时,将信号线一端连接数据采集器,另一端连接微力传感器1和电流传感器12。将数据采集器通过USB数据线连接到计算机。线圈3和电流传感器12串联接入学生电源(线圈3通过接线柱7串联接入学生电源,电流传感器12通过接线柱串联接入)。将电流传感器12用信号线接到数据采集器上。将两个传感器分别调零,然后打开电源,调节电源电压到适当位置,记录微力传感器1的数据。转动角度转盘5改变磁场与通电线圈3的角度,可以观察到微力传感器1示数随之改变。保持电流大小和线圈3的匝数不变,调整角度转盘5位置,使磁场方向与电流方向平行时,微力传感器1的示数为零,改变角度转盘5的角度,记录微力传感器1的示数变化,通过公式验证F=BILsin(θ)。
Claims (2)
1.一种安培力实验器,包括底座、线圈、角度转盘、磁铁、微力传感器、电流传感器和学生电源;其特征是:底座上通过转轴安装有角度转盘,角度转盘上设有转动角度刻线,角度转盘上固定有两块磁铁,两块磁铁的N极和S极相对;底座上在角度转盘的一侧设置有立柱,立柱上固定安装有支架,立柱下部在角度转盘上方设置有指针,微力传感器安装在支架上;微力传感器上悬挂有线圈,线圈处于两块磁铁之间,线圈上根据匝数设置抽头,其中一个为公共抽头,其余为匝数抽头,电流传感器一端与线圈上的公共抽头连接;电流传感器与学生电源的负极和线圈的公共抽头连接,学生电源的正极与线圈的一个匝数抽头连接,学生电源、电流传感器和线圈串联在一起,形成闭合回路。
2.根据权利要求1所述的安培力实验器,其特征是:所述底座上设置接线柱及插座,接线柱的数量与线圈上的抽头数一致,各个接线柱分别通过导线与插座中的各个接线端一一对应连接,所述线圈上的各个抽头均连接至一个抽线插头,该抽线插头与底座上的插座连接。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105139729A (zh) * | 2015-09-20 | 2015-12-09 | 兴化市成顺消防科技研究院有限公司 | 一种真空光电效应实验演示装置 |
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CN111402692A (zh) * | 2020-05-08 | 2020-07-10 | 福建省同安第一中学 | 一种安培力定量实验装置 |
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