CN203397581U - 安培力实验器 - Google Patents

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

安培力实验器

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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