毕奥－沙伐尔定律实验验证装置与验证实验方法制造方法及图纸

一种毕奥－沙伐尔定律实验验证装置，底座上一侧设有直流电源组件

【技术实现步骤摘要】
毕奥
－
沙伐尔定律实验验证装置与验证实验方法


[0001]本专利技术属于电磁学实验教学仪器
，具体涉及到一种毕奥－沙伐尔定律实验验证装置与验证实验方法
。

技术介绍

[0002]毕奥－沙伐尔定律
(
简称毕一萨定律，
Biot
‑
Savartlaw)
，又称毕
‑
萨
‑
拉定律，是大学
《
电磁学
》、《
电动力学
》、《
电磁场理论
》
等课程中的重要定律之一
。
它的建立是由于法国物理学家毕奥和萨伐尔不满足于奥斯特等对电流磁效应的定性描述，提出寻找电流对磁极作用所遵循的普遍规律
。
他们通过两个设计精巧的实验，运用磁针周期振荡的方法，发现了直流电流对磁针作用的定律，这个作用正比于电流的强度，反比于它们之间的距离，作用力的方向垂直于磁针到导线的连线
。
法国数学家拉普拉斯运用绝妙的数学分析，帮他们把实验结果提高到理论高度，即假设电流的作用可以看作是各个电流元单独作用的总和，把这个定律表示成微分形式，从而得出了毕奥－萨伐尔定律
。
毕奥－沙伐尔定律，是人类历史上第一次获得了电流磁效应的定量研究成果，成为电磁学中最重要的基本实验定律之一，对电磁学的发展具有里程碑的意义
。
[0003]虽然毕奥－沙伐尔定律是从实验结果直接归纳出来的基本电磁学定律，但定律中电流元矢量是一个科学的抽象
。
实际上任何电流，总要在有限的空间范围内形成回路，独立的电流元是不可能存在的
。
因此，独立的电流元在空间形成磁场的分布是不能用直接的实验来确定的，只能用该定律所计算的磁场分布与实验测量结果进行比较，确定该定律的正确性和科学性
。
当然，毕奥－沙伐尔定律早已经过了“千锤百炼”，正确无疑
。
从理论上讲，应用毕奥
‑
萨伐尔定律，可以计算任意一段电路电流产生的磁场
。
比如
《
电磁学
》
课程中经常有计算圆弧线段电路电流
、
有限长度直线段电路电流的在空间特定点产生的磁感应强度问题，但仅限于计算，一直没有与之相应的实验设计和实验验证装置
。
原因在于难以在实验中构造一段“无头无尾”的有电流的“独立”电路，这给学生实验验证毕奥
‑
萨伐尔定律的带来了很大困难
。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种结构简单
、
操作方便
、
实验效果直观明了的毕奥－沙伐尔定律实验验证装置与验证实验方法
。
[0005]解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种毕奥－沙伐尔定律实验验证装置，绝缘体的底座上一侧设置有直流电源组件
、
中部设置有“日”字形的安装槽
、
另一侧设置有高斯计，安装槽由上边槽
、
中间槽
、
下边槽组成，上边槽内设置有第一单股导线，下边槽内设置有第二单股导线，位于中间槽两端外侧底座上设置有安装座，安装座上设置有垂直底座上表面的实验板，实验板为透明绝缘板上设置有第一同轴电缆，实验板与中间槽平行且位于中间槽正上方，直流电源组件的正极输出端与第一同轴电缆左端的内导体可拆卸连接，第一同轴电缆右端内导体与第一单股导线的右端可拆卸连接，第一单股导线的左端与第一
同轴电缆左端的外导体可拆卸连接，第一同轴电缆右端的外导体与第二单股导线的右端可拆卸连接，第二单股导线的左端与直流电源组件的负极可拆卸连接；
[0006]所述实验板为第一实验板
、
第二实验板
、
第三实验板中的一种；所述第一实验板
、
第二实验板
、
第三实验板的透明绝缘板尺寸相同；所述第一实验板为透明绝缘板底部设置有直线形的第一同轴电缆，第一同轴电缆的长度与中间槽长度相等，透明绝缘板上标注有磁感应强度测量点
A
，磁感应强度测量点
A
位于第一同轴电缆中点的正上方，磁感应强度测量点
A
与第一同轴电缆之间的距离为第一同轴电缆长度的倍；所述第二实验板为透明绝缘板上设置有半圆形的第一同轴电缆和标注有磁感应强度测量点
D
，半圆形的第一同轴电缆的半圆直径与中间槽长度相等；磁感应强度测量点
D
位于半圆形的第一同轴电缆的圆心位置；所述第三实验板为透明绝缘板上设置有两侧为斜直线中部为下凹圆弧形的第一同轴电缆，第一同轴电缆的两斜直线段所在直线正交，正交的交点为中部下凹圆弧形段所对的圆心且为磁感应强度测量点
C。
[0007]作为一种优选的技术方案，所述透明绝缘板为有机玻璃板
。
[0008]作为一种优选的技术方案，所述直流电源组件包括直流电源
、
可调电阻器
、
电流表
、
第二同轴电缆；直流电源的正极上依次串联有电流表
、
可调电阻器
、
第二同轴电缆一端内导体，第二同轴电缆另一端内导体接第一同轴电缆左端的内导体，直流电源的负极接第二同轴电缆一端外导体，第二同轴电缆外导体另一端接第二单股导线的左端
。
[0009]本专利技术还提供一种毕奥－沙伐尔定律实验验证装置的验证实验方法，包括以下步骤：
[0010]步骤
1.
验证通电状态下直导线段的中垂线上的磁感应强度
[0011]步骤
1.1.
将第一实验板安装在安装座上，将第一同轴电缆连接在电路中，接通电路，用高斯计测量第一实验板上磁感应强度测量点
A
处的磁感应强度值；
[0012]步骤
1.2.
以第一实验板上第一同轴电缆及磁感应强度测量点
A
所对应的相关参数，利用由毕奥－沙伐尔定律得到的长直导线在空间产生的磁感应强度公式
(1)
计算磁感应强度测量点
A
处磁感应强度理论值，
[0013][0014]式中，
μ0为真空磁导率，
I
为通过第一同轴电缆的电流值，
r0为测量点到直导线的距离，
θ1为测量点
A
与第一同轴电缆左端连线和第一同轴电缆中心线之间的夹角；
θ2为测量点
A
与第一同轴电缆右端连线和第一同轴电缆中心线右延长线之间的夹角
。
[0015]步骤
1.3.
比较步骤
1.1
的测量结果与步骤
1.2
的理论值，二者相同，则验证得到公式
(1)
正确；
[0016]步骤
2.
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种毕奥－沙伐尔定律实验验证装置，其特征在于：绝缘体的底座上一侧设置有直流电源组件
、
中部设置有“日”字形的安装槽
、
另一侧设置有高斯计，安装槽由上边槽
、
中间槽
、
下边槽组成，上边槽内设置有第一单股导线，下边槽内设置有第二单股导线，位于中间槽两端外侧底座上设置有安装座，安装座上设置有垂直底座上表面的实验板，实验板为透明绝缘板上设置有第一同轴电缆，实验板与中间槽平行且位于中间槽正上方，直流电源组件的正极输出端与第一同轴电缆左端的内导体可拆卸连接，第一同轴电缆右端内导体与第一单股导线的右端可拆卸连接，第一单股导线的左端与第一同轴电缆左端的外导体可拆卸连接，第一同轴电缆右端的外导体与第二单股导线的右端可拆卸连接，第二单股导线的左端与直流电源组件的负极可拆卸连接；所述实验板为第一实验板
、
第二实验板
、
第三实验板中的一种；所述第一实验板
、
第二实验板
、
第三实验板的透明绝缘板尺寸相同；所述第一实验板为透明绝缘板底部设置有直线形的第一同轴电缆，第一同轴电缆的长度与中间槽长度相等，透明绝缘板上标注有磁感应强度测量点
A
，磁感应强度测量点
A
位于第一同轴电缆中点的正上方，磁感应强度测量点
A
与第一同轴电缆之间的距离为第一同轴电缆长度的倍；所述第二实验板为透明绝缘板上设置有半圆形的第一同轴电缆和标注有磁感应强度测量点
D
，半圆形的第一同轴电缆的半圆直径与中间槽长度相等；磁感应强度测量点
D
位于半圆形的第一同轴电缆的圆心位置；所述第三实验板为透明绝缘板上设置有两侧为斜直线中部为下凹圆弧形的第一同轴电缆，第一同轴电缆的两斜直线段所在直线正交，正交的交点为中部下凹圆弧形段所对的圆心且为磁感应强度测量点
C。2.
根据权利要求1所述毕奥－沙伐尔定律实验验证装置，其特征在于：所述透明绝缘板为有机玻璃板
。3.
根据权利要求1所述毕奥－沙伐尔定律实验验证装置，其特征在于：所述直流电源组件包括直流电源
、
可调电阻器
、
电流表
、
第二同轴电缆；直流电源的正极上依次串联有电流表
、
可调电阻器
、
第二同轴电缆一端内导体，第二同轴电缆另一端内导体接第一同轴电缆左端的内导体，直流电源的负极接第二同轴电缆一端外导体，第二同轴电缆外导体另一端接第二单股导线的左端
。4.
根据权利要求1所述毕奥－沙伐尔定律实验验证装置的验证实验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤
1.
验证通电状态下直导线段的中垂线上的磁感应强度步骤
1.1.
将第一实验板安装在安装座上，将第一同轴电缆连接在电路中，接通电路，用高斯计测量第一实验板上磁感应强度测量点
A
处的磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：卫芬芬，张宗权，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：