实验12 冲击电流计测量

三实验原理

1.简述铁磁介质材料磁滞回线的磁化过程.并作出磁滞回线.

当铁磁质达到磁饱和状态后，如果减小磁化场H，介质的磁化强度M（或磁感应强度B）并不沿着起始磁化曲线减小，M（或B）的变化滞后于H的变化。这种现象叫磁滞。

在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期的变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线 磁滞回线图中Hc,Hm,Bm,Br分别是什么: Bm 最大磁感应强度；Hm 最大磁场强度；Br剩磁；Hc矫顽力.

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实验九  用冲击电流计测量磁感应强度

实验目的

1．了解冲击电流计的结构特点、工作原理，学习使用冲击电流计。

2．掌握用冲击电流计测量磁感应强度的方法。

3．测定螺线管轴线上磁感应强度的分布。

实验仪器

冲击电流计，待测螺线管（内附探测线圈），标准互感器，电阻箱，直流稳压电源，滑线变阻器，直流毫安表等。

实验原理

1．冲击电流计的工作原理

冲击电流计的结构与灵敏电流计相似，都属于磁电式检流计，它的结构特点，也就是它与一般灵敏电流计的区别在于它的线圈扁而宽或带一圆盘形重物，如图4－13－1所示，从而使线圈的转动惯量J较大，自由振荡周期T₀较长（，式中D为线圈悬丝的扭转系数），普通磁电式检流计的T₀约为3—5s，而冲击电流计的T₀约为20s。正因为冲击电流计具有T₀大这一特点，所以可用来测量短时期内脉冲电流所迁移的电量，以及与此有关的其它测量，如磁感应强度、高阻、电容的测量等。当时间间隔τ很短（≤）的脉冲电流通过线圈时，则线圈的运动有以下特性：

（1）在脉冲电流通过的时间内，线圈虽有一角速度，但还来不及偏转，线圈仍处于静止状态。

（2）当圈开始偏转时，脉冲电流已经通过完毕。

利用以上的特性，由电磁理论可以推出，冲击电流计线圈在脉冲电流作用下第一次最大偏转角θ_max与通过线圈的总电量q成正比。在冲击电流计的标尺与线圈上的小圆镜之间的距离较远（如1米）的情况下，小圆镜光标在标尺上的偏转距离与线圈的偏转角成正比，因此冲击电流计光标第一次最大偏转距离d_max正比于通过线圈的总电量q，即

                （4－13－1）

式中比例系数C_q称为电量冲击常数，S_q＝1／C_q称为电量冲击灵敏度，C_q和S_q都与电流计的装置、外电路的电阻有关。（4－13－1）式告诉我们，已知C_q或S_q，由冲击电流计最大偏转值d_max可以求出通过电流计的电量q。

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测螺线管磁场———实验原理

图1

   图1是一个长为2l，匝数为N的单层密绕的直螺线管产生的磁场。当导线中流过电流I时，由毕奥—萨伐尔定律可以计算出在轴线上某一点P的磁感应强度为

式中，为单位长度上的线圈匝数，R为螺线管半径，x为P点到螺线管中心处的距离。在SI单位制中，B的单位为特斯拉（T）。图1同时给出B随x的分布曲线。

    磁场测量的方法很多。其中最简单也是最常用的方法是基于电磁感应原理的探测线圈法。本实验采用此方法测量直螺线管中产生的交变磁场。下图是实验装置的实验装置的示意图。

  

图2

当螺线管A中通过一个低频的交流电流i(t) = I₀sinωt时，在螺线管内产生一个与电流成正比的交变磁场B(t) = C_pi(t) = B₀sinωt其中C_p是比例常数，把探测线圈A1放到螺线管内部或附近，在A1中将产生感生电动势，其大小取决于线圈所在处磁场的大小、线圈结构和线圈相对于磁场的取向。探测线圈的尺寸比较小，匝数比较多。若其截面积为S1，匝数为N1，线圈平面的法向平面与磁场方向的夹角为θ，则穿过线圈的磁通链数为:

Ψ = N₁S₁B(t)cosθ

根据法拉第定律，线圈中的感生电动势为：

通常测量的是电压的有效值，设E(t)的有效值为V，B(t)的有效值为B，则有，由此得出磁感应强度：

其中r₁是探测线圈的半径，f是交变电源的频率。在测量过程中如始终保持A和A₁在同一轴线上，此时，则螺线管中的磁感应强度为

在实验装置中，在待测螺线管回路中串接毫安计用于测量螺线管导线中交变电流的有效值。在探测线圈A₁两端连接数字毫伏计用于测量A₁中感应电动势的有效值。

    使用探测线圈法测量直流磁场时，可以使用冲击电流计作为探测仪器，同学们可以参考冲击电流计原理设计出测量方法。

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实验九  用冲击电流计测螺线管内的磁场分布

【实验目的】

1、了解冲击电流计的工作原理，并掌握其使用方法。

2、学会用冲击法测定螺线管内轴向磁场分布。

【实验仪器】

电阻箱、冲击电流计、待测螺线管、标准互感器、直流电源、开关与导线等

 【实验原理】

1、长直螺线管的磁场

如图9-1所示，设螺线管长度为，半径为r0(＞＞ r0），上面均匀地密绕有N匝线圈，放在磁导率为μ的磁介质中，当线圈通过电流I时，磁场分布主要集中在螺线管内部空间，而且在轴线附近磁力线分布近似均匀且平行，在外部空间磁场则很弱。

    由毕奥一萨伐尔定律可以得到螺线管轴线上距中心O点X处的磁感应强度为：

      　　　　　　　　   (9-1)                              

当x=0时（即在螺线管中点）

                  

∴            ∵n=N/L              （9-2）

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用冲击电流计测电容和磁感应强度

基科22 张家琳 022565

实验日期 20##年4月11日

一、       实验目的

1、  了解冲击电流计的特性；

2、  掌握用冲击法测脉冲电流所迁移电量的原理；

3、  学习用冲击电流计测磁感应强度B和电容C的方法。

二、       实验原理

1、  冲击电流计测脉冲电流迁移电量

冲击电流计：实际上是用来测量短时间内脉冲电流迁移电荷的电量的，进而可以用它来进行于此有关的其他方面的测量，例如本实验中的测磁感应强度B和电容C。特点：灵敏度高，振荡周期很长

在一脉冲电流流过的短时间间隔内，线圈获得一初始角动量，其值约为，积分后得：

可以证明：对三种阻尼状态的任何一种，最大偏转角总与成正比。又因为光标的偏移量d和成线性关系（当不大时），故有：

2、  电流计定度和测电容原理说明

容量为C的电容器充电至V后与电源断开，并立即通过电流计回路放电，则电容器的电量将全部流过电流计回路，此时电流计光标将产生冲掷偏转，最大偏转d与电容器放出的电量成正比：

              式中称为电流计冲击常数。可以求出：

或

所以，当使用标准电容进行充放电测量时，可以求出电量冲击常数，这一过程称为定度；电流计定度后，用未知电容进行充放电测量，即可求出未知电容来（这实际上是比较法）。

3、  用冲击电流计测磁感应强度

在被测磁场中放一个探测线圈，使线圈截面与被测磁感应强度B的方向垂直，然后是产生磁场的激磁电流迅速改变，此时探测线圈中的感生电动势为，在与之相连的冲击电流计回路中产生脉冲电流。将此电流对脉冲持续时间t求积分可得通过的总电量为：

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实验11 用冲击法测螺线管磁场

冲击法是指用冲击电流计测量磁场的方法，它利用的是法拉第电磁感应的原理。用这种方法不仅可以测量磁感应强度、互感系数、磁通量等磁学量，也可以测量高电阻，电容等电学量，是电磁测量的基本方法之一。

一. 实验目的

1. 了解用冲击电流计测磁场的基本原理。

2. 学习使用冲击电流计。

3. 通过对长直螺线管轴线上磁场的测量，加深对圆形电流磁场理论的理解。

二. 实验仪器

螺线管、探测线圈、互感器、冲击电流计、直流毫安表、直流稳压电源、单刀单掷开关、单刀双掷开关等。

三. 实验原理

1. 长直螺线管的磁场

如图3-11-1所示，设螺线管长度为，半径为r0(>> r0），

上面均匀地密绕有N匝线圈，放在磁导率为μ的磁介质中，当

线圈通过电流I时，磁场分布主要集中在螺线管内部空间，而

且在轴线附近磁力线分布近似均匀且平行，在外部空间磁场则

很弱。

由毕奥一萨伐尔定律可以得到螺线管轴线上距中心O点X

处的磁感应强度为：

（3-11-1） 或者

令Ｘ=0，得螺线管中心O点的磁感应强度为：

（3-11-2）

令Ｘ=/2，得螺线管两端面中心点的磁感应强度为 (>> r0） （3-11-3） 图3-11-2是长直螺线管轴线上磁感应强度的分布曲线。

2. 用冲击电流计测定磁感应强度

图3-11-3是用冲击电流计测螺线管磁场的电路图。图中E为直流可调稳压电源，A为直流电流表，K1、K3为单刀单掷开关，K2为单刀双掷开关，Ｍ为互感器，T为置于螺线管S内轴线上的探测线圈，G为冲击电流计，R为电阻箱。

将K2合向a端，K1闭合，则电源与螺线管接通，构成磁化电流回路。由于冲击电流计G、电阻箱R、 互感器M 的次级线圈和探测线圈T组成次级回路，当电流流经螺线管时，螺线管内磁场发生变化时，探测线圈中将产生感应电动势E（t），从而在测量回路（实际是一个RL电路）中产生一个随时间迅速变化的脉冲电流i（t），如图3-11-4所示。该感应电流满足方程：

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磁场测量

空间或磁性材料中磁通、磁通密度、磁通势、磁场强度等的测量。是磁学量测量的内容之一。空间的磁通密度与磁场强度成比例关系，空间磁场强度的测量，实质上也是磁通密度的测量。因而用磁强计测量的实际上是磁通密度。 磁场测量主要利用磁测量仪器进行。按照被测磁场的性质，磁场测量分为恒定磁场测量和变化磁场测量。

恒定磁场测量

　　对于不随时间而变化的直流磁场的测量。常用的测量仪器有以下7种。

　　①力矩磁强计：简称磁强计。利用磁场的力效应测量磁场强度或材料的磁化强度。

　　②磁通计和冲击检流计（见检流计）：用于冲击法(见软磁材料测量)中测量磁通及磁通密度。测量时，须人为地使检测线圈中的磁通发生变化。

　　③旋转线圈磁强计：在被测的恒定磁场中，放置一个小检测线圈，并令其作匀速旋转。通过测量线圈的电动势，可计算出磁通密度或磁场强度。测量范围为0.1毫特到10特。误差为0.1～1%。也可将检测线圈突然翻转或快速移到无场区，按冲击法原理测量磁通密度。

　　④磁通门磁强计：由高磁导率软磁材料制成的铁心同时受交变及恒定两种磁场作用，由于磁化曲线的非线性，以及铁心工作在曲线的非对称区，使得缠绕在铁心上的检测线圈感生的电压中含有偶次谐波分量，特别是二次谐波。此谐波电压与恒定磁场强度成比例。通过测量检测线圈的谐波电压，计算出磁场强度。磁通门磁强计的原理结构如图所示。探头中的两个铁心用高磁导率软磁合金制成。每一铁心上各绕有交流励磁线圈，而检测线圈绕在两铁心上。两交流励磁线圈串联后由振荡器供电，在两铁心中产生的磁场强度为H～，但方向相反。这样，检测线圈中感生的基波及奇次谐波电压相互抵消。当探头处在强度为H0的被测恒定磁场中时，两铁心分别受到H0+H～和H0-H～即交变与恒定磁场的叠加作用，从而在检测线圈中产生偶次谐波电压，经选频放大和同步检波环节，取其二次谐波电压，其读数与被测的恒定磁场强度H0成比例。磁通门磁强计的灵敏度很高，分辨力达100皮特。主要用于测量弱磁场。广泛用于地质、海洋和空间技术中。20世纪60～70年代研制成的光泵磁强计和利用超导量子干涉器件 (squid)制成的超导量子磁强计，灵敏度更高，分辨力分别达到10-7和10-9安/米。

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