一、技术领域

本发明涉及一种电磁学测量仪及其测试方法，属于电磁学、电工学用的教学仪器 领域。

二、背景技术

定量测定电磁力F，验证安培定律；定量测量空间磁导率μ0，定量测量平行带电 板间的静电力和介电常数ε0以及定性测量平行载流导线之间的相互作用力等都是电 磁学中的重要内容，根据教学大纲的要求，学生必须掌握。但是几十年来，国内尚缺 乏这方面的测量仪器。因此概念抽象难讲，学生不易理解和掌握。我们从美国鲁德兰 (Lutheran)大学物理实验讲义的电流秤示意图中受到启迪，以电流秤为参考，设计了 这台功能全、性能高，以测量电磁学基本量为目的的电磁学测量仪。

三、发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种电磁学测量仪及其测试方法。它 具有功能全、成本低、而且增加了仪器的测量范围。

本发明的目的由以下技术措施实现：

电磁学测量仪由刀口支承座与刀口装置、框架与平衡装置、阻尼装置、读数装置、 直流电源装置和底板与布线装置，通过连接件和电源控制电路连接构成电磁学测量仪 整体。

1、刀口支承座与刀口装置由横梁、刀口、刀口支承座组成，两个支承座分别装设 在立柱的顶端，立柱上的升降杆能自由升降，以调节刀口平衡。刀口通过中心孔连接 在横梁下面的刀口槽内，能承受5～10A的大电流。

2、框架与平衡装置由上方杆、下方杆、水平平衡锤、竖直平衡锤以及反射镜组成， 上方杆的受力边ab中央设砝码盘，其臂通过连接件螺母装配在横梁的前方，旋转升降 螺钉能调节cd位置，使上方杆和下方杆的受力臂ab与cd上下对齐，水平平衡锤和竖 直平衡锤分别套旋在水平杆和竖直杆上，水平平衡锤决定框架的平衡位置和反射镜的 仰角，竖直平衡锤可改变框架振动周期。

3、阻尼装置由阻尼线圈组成，阻尼线圈设在水平杆的前端，并夹装厚度为 0.1～0.2cm的铜片，在其左右两侧装上一对厚度为0.1～0.2cm的磁片，当框架摆动时， 磁片也跟着框架摆动，以产生磁阻尼。

4、读数装置采用光杠杆，光杠杆由横梁上的反射镜和带刻度尺的读数显微镜组成， 主要作用是测量上、下方杆之间的距离。

5、直流电源装置采用实验室内的直流电源，要求提供5～10A的直流电。

6、底板与布线装置，底板用绝缘材料制作，底板下设地脚螺栓以调节水平，板面 上设立柱起支承作用，立柱中心打有小孔并装设有导线，导线与ab和cd杆成直角连 接，通过接线柱向外引出，为了防止导线相互感应的干扰，仪器的布线均设在底板下 面。

电磁学测量仪的测试方法：

1、测试平行载流导线之间的相互作用力

a.采用图3所示电路连接仪器，

b.将双掷开关拨到左边，使上、下方杆通以相反方向电流，观察上、下方杆远离 的现象，

c.将双掷开关拔到右边，使上、下方杆通以相同方向的电流，观察上、下方杆发 生移动而相互靠近的现象。

2、测试F-B、F-I关系，检验安培定律

a.采用图4所示电路连接好仪器，

b.使上方杆电流保持不变，改变下方杆电流值，依次在砝码盘增加5mg砝码，记 下此时的电流I，改变下方杆电流即改变了磁感应强度B，将测得数据列入表1中，作 出F-B曲线，如图5所示，曲线为过原点直线、验证了F∝B，

c.使下方杆的电流保持不变，即保持B不变，改变上方杆中的电流I，由砝码测 出相应的电磁力F，将测得的数据列入表2中，作出F-I曲线如图6所示。曲线仍为 过原点直线，验证了F∝I，从而验证了安培定律F∝IB。

3、测量空间磁导率μ0

a.实验线路同图4，只是将开关K断开，上、下方杆串联，电流方向相反；

b.将电流值从零开始增加，砝码从10mg开始增加，实验步骤同前，此时实验中 的电流值为I+；

c.将双掷开关K放置另一边，同时反转上、下方杆中的电流方向，重复步骤b， 这次的电流为值I-；

d.由砝码测量出相应的电磁力F，将数据列入表2中，由表作出F-I+I-曲线，由 曲线斜率计算出空间导磁率μ0。

4、测试平行带电板间的静电力和介电常数

a.把图1中的上、下方杆取下，在其位置上各装一块相互平行的金属板；

b.按图4所示电路图接好电路，操作步骤同3。

本发明具有如下优点：

1、本仪器刀口改用新型钕铁硼永磁材料，减小了刀口接触面积，增大了仪器的灵 敏度；

2、由于采用新型磁性材料减小了仪器的起动电流，增大了仪器的安全性和适用性；

3、在仪器的横梁下方增设了一竖直平衡锤，平衡锤设计成螺旋形，减小了平衡锤 的振荡，增大了仪器的稳定性能；

4、读数装置改用实验室原有的光杠杆，利用光杠杆中的读数显微镜，既提高了读 数精度又降低了仪器成本；

5、在仪器的上、下方杆位置上各装上一块相互平行的金属板，其它电路设置不变， 就可测定平行带电板间的静电力等，增大了仪器的测量范围；

6、实验结果表明，本发明性能指标灵敏度高，能够准确测定电磁力F，空间磁导 率μ0，平行带电板间的静电力和介电常数，直观效果良好，填补了国内空白；

7、本发明的刀口、刀座、横梁、平衡锤、阻尼线圈、上、下方杆以及读数装置都 相对独立，便于学生拆开和组装使用，也便于维修和替换零部件；

8、适用于电磁学和电工学的各类开放实验用，也可供各类综合性大学的外国留学 生实验使用，教学效果直观良好。

四、附图说明

图1为电磁学测量仪结构示意图。

1横梁，2刀口，3刀口支承座，4水平杆，5竖直杆，6水平平衡锤，7反射镜，8 阻尼线圈，9竖直平衡锤，10上方杆，11升降杆，12下方杆，13刻度尺，14读数显 微镜，15砝码盘，16升降螺钉。

图2为光杠杆原理图。

图3为测试平行载流直导线之间相互作用电路图。

图4为验证安培定律F∝BI实验电路图。

图5为F-B曲线图。

图6为F-I曲线图。

图7为空间导磁率μ0的测试图。

五、具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对 本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人 员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例

本发明具有结构简单，制造方便，如图1所示。它由刀口支承座与刀口装置、框 架与平衡装置、阻尼装置、读数装置、直流电源装置和底板与布线装置，通过连接件 和电源控制电路连接构成电磁学测量仪整体。

如图1～2所示，刀座与刀口由横梁1、刀口2、刀口支承座3组成，刀座支承座3 采用2×1×0.3cm的锰钢片研磨而成，刀口采用厚0.3cm的新型钕铁硼材料研磨而成， 两个刀座分别装在两个中央立柱(有机玻璃)顶端，立柱上的升降杆能自由升降，以 调节刀口平衡。通过刀口中心孔连接横梁下面的刀口槽内，刀口与刀座的接触面积小， 而且能承受5～10A的大电流。

框架与平衡装置由上方杆10、下方杆12、水平平衡锤6、竖直平衡锤9以及反射 镜7构成。框架用0.4cm黄铜棒弯曲而成，上、下方杆均用0.4cm黄铜棒弯曲而成， 上方杆的受力边长ab为30cm，中央安装有砝码盘15，其臂长25cm，通过连接件螺母 装配在有机玻璃制作的横梁1前方，旋转升降螺钉能调节下方杆位置，便于上方杆10 和下方杆12的受力臂ab与cd上下对齐，水平平衡锤6、竖直平衡锤9均用0.8cm黄 铜棒车丝为螺旋形(减小了平衡锤自身的振荡)分别套旋在水平杆4和竖直杆5上， 水平平衡锤6可以决定框架的平衡位置和反射镜7的仰角，竖直平衡锤9可改变框架 振动周期。

如图1所示，阻尼装置由阻尼线圈8组成，阻尼线圈设在水平杆4的前端夹装厚 度为0.2cm的铜片，在其左右两侧装上一厚度为0.2cm的磁片，而构成阻尼线圈8。当 框架摆动时，磁片也跟着框架在磁场中摆动，以产生磁阻尼。

如图1-2所示，读数装置采用光杠杆，光杠杆由横梁1上的小反射镜7和仪器前 方带刻度尺13的读数显微镜14组成，其主要作用是测量上、下方杆之间的距离。

直流电源装置采用实验室大电流直流电源，要求能提供5A～10A大小的直流电。

如图1所示，底板与布线装置：底板采用绝缘材料制作，用厚0.5cm和0.2cm的 有机玻璃板粘结而成。底板长58cm、宽40cm，下面设有三个地脚螺栓以调节水平， 板面上有四个有机玻璃立柱起支承作用，立柱中打有小孔并穿有导线，导线与ab和cd 杆成直角连接，通过接线柱向外引出，为了防止导线感应磁场的相互干扰，仪器的布 线均设在底板下面。

电磁学测量仪的测试方法：

(1)电磁学测量仪的使用方法：

a、首先将仪器各零件如图1所示安装就位，调整下方杆cd与地磁场平行，这样 可以减少地磁场对电流磁场的影响。仪器一旦调整完毕后，各零件位置不能再移动。

b、测试前需仔细校准仪器，观察刀口与刀座的接触情况，调节振动周期为1～2秒。 特别要注意调节ab与cd两杆上下对齐且严格平行并保持0.1～0.2cm左右的均匀缝隙。

c、上下杆之间距离的测量

由于上下杆之间距离实际上很小，为了能准确测量，故采用光杠杆的办法。图1 中的反射镜7和带刻度尺13的读数显微镜14一起构成了光杠杆，如图2所示。当框 架调节平衡时，通过望远镜读出一基准值S0，当上方杆砝码盘内放一重物时，平衡被 破坏，上方杆下降接触到下方杆，此时通过望远镜再读一值，记为S1，利用光杠杆原 理，可求出上下杆之间的距离D0。

设反射镜面到上方杆距离为a，到刻度尺距离为b，则由图2可算出：

$D_0=\frac{(S_1-S_0)a}{2b}$

式中D0是两杆表面之间距离。设杆的直径为d，则当框架平衡时，上下方杆之间的对 心距离为：

                              D＝D0+d

(2)在物理实验中的应用

a、测试平行载流直导线之间的相互作用力

平行载流导线单位长度上受到的相互作用力：

$F=I_1{B}_2=I_2{B}_1=\frac{{\mu }_0{I}_1{I}_2}{2\mathrm{\pi D}}$

式中I1、I2是平行载流导线上的电流强度，D是平行载流导线间的距离。

采用图2-3所示电路连结好仪器。

当双掷开关放到左边时，上、下杆电流相反，观察到反向平行电流间产生斥力， 使上、下杆远离的物理现象；当双掷开关放到右边时，上、下杆电流方向相同，观察 到同向平行电流间产生相互吸引力，使上、下杆发生移动而靠近的物理现象。

b、测试F-B、F-I关系，定量验证安培定律

按图4所示连结好电路。

①上方杆电流保持I上杆＝4A不变，改变下方杆电流值，验证F与B的正比关系。

在砝码盘中放入一砝码，上方杆将下降至S1处，然后通过可调电阻R逐渐增大电 流，直至上方杆回复到平衡位置S0处，此时的砝码重量即为电磁力F(F＝mg)。记下 此时电流值I磁(改变下方杆电流即为改变了磁感应强度B)。依次在盘中增加5mg砝 码，重复上述步骤，将F与B之值记入表1，作出F-B曲线如图5所示。

从图2-5中可以看出，曲线为过原点的直线，验证了F∝B。

②下方杆电流保持不变(I下杆＝4A)，即保持B不变的情况下，改变上方杆中的电 流I，由砝码测量相应的电磁力F，验正F与I的正比关系。操作可参照步骤①。将F 与I之值记入表2，作出的F～I曲线如图6所示，曲线仍为过原点直线，验证F∝I，从 而验证了安培定律F∝BI。

C、定量测量空间磁导率μ0

根据处于磁场B中载流平行导线受力公式

$\overrightarrow{F}=\int I\overrightarrow{d_L}\times \overrightarrow{B}=\frac{{\mu }_{0}L{I}^2}{2\mathrm{\pi D}}$

可知，如果I、F能精确地测定，则可计算出空间磁导率μ0。

实验线图同图4，只是将开关K断开，上、下方杆串联，电流方向相反。

①首先将电流值从零开始增加，砝码从10mg开始增加，实验步骤同前a和b，此 时实验中的电流值记为I+；

②然后将双掷开关放置另一边，同时反转上、下方杆中的电流方向，重复步骤①， 这次的电流值记为I-；

③由砝码测量出相应的电磁力F，将数据列入表3。

其中a＝3.05×10-1m，b＝1.90m，d＝5.00×10-3m，S0＝3.85×10-2m，S1＝4.00×10-2m。 此时，由于考虑排除地磁场的影响，上式将修正为：

$F=\frac{{\mu }_{0}L}{2\mathrm{\pi D}}\left[I_{+}{I}_{-}\right]=\frac{{\mu }_{0}L}{2\pi }\left[I_{+}{I}_{-}\right]{[\frac{(S_1-S_0)a}{2b}+d]}^{-1}$

根据上式，作F～I+I-曲线，如图7所示，然后根据曲线斜率 $\frac{{\mu }_{0}L}{2\pi }{[\frac{(S_1-S_0)a}{2b}+d]}^{-1}$ 算出μ0＝1.24×10-6亨利·米-1。与标准值1.26×10-6亨利·米-1相比，百分偏差 $\frac{\mathrm{\Delta \mu }}{{\mu }_0}\times 100\%=\frac{1.26-1.24}{1.26}\times 100\%=1.6\%,$ 可见，用此仪器测量的实验结果比较准确，多次实验测量 结果百分偏差都能控制在2.0％以内，比美国鲁德兰大学(Lutheran)的5.0％提高了三 个百分点。

d、定量测定平行带电板间的静电力和介电常数ε0

将图1中的上、下方杆取下，在此位置上各装一块相互平行的金属板，按图4电 路图接好电路，即可将电流秤改装成为库仑秤。操作可参照步骤c，便可测出平行带电 板间的静电力和介电常数。  

                        表1 F-B实验数据   F(mg)     20     25     30     35     40   I(A)     2.50     3.13     3.75     4.37     5.00   F(×10-4N)     1.96     2.45     2.94     3.43     3.92   B(10-4T)     1.00     1.25     1.50     1.57     2.00

               表2 F-I实验数据     F(mg)     20     25     30     F(×10-4N)     1.96     2.45     2.94     I(A)     2.50     3.00     3.70

                             表3  μ0的测定   F(mg)     20     25     30     35     40   I+(A)     2.70     3.25     3.50     3.60     4.00   I-(A)     2.70     3.25     3.45     3.59     4.10   F(×10-4N)     1.96     2.45     2.94     3.43     3.92   I+I-(A2)     7.29     10.6     12.0     12.9     16.4   μ0(×10-6)     1.38     1.22     1.29     1.40     1.26