實驗沖擊法測螺線管磁場沖擊法是指用沖擊電流計測量磁場的方法，它利用的是法拉第電磁感應的原理。用這種方法不僅可以測量磁感應強度、互感系數、磁通量等磁學量，也可以測量高電阻，電容等電學量，是電磁測量的基本方法之一。【預習重點】1.沖擊電流計的結構原理和使用方法。2.沖擊法測螺線管軸線磁場的原理和方法。【實驗目的】1.掌握長直螺線管的磁場分布規律。2.學會用沖擊電流法測量磁場的方法。【實驗儀器】MBH-4互感器、DQ-3A數字式沖擊電流計、JKI-1精密直流恒流輸出電源、FB400A型沖擊法螺線管磁場測定儀。【實驗原理】1.長直螺線管的磁場圖1直螺線管剖面圖如圖1所示，設螺線管長度為，半徑為，上面均勻地密繞有匝線圈，放在磁導率為的磁介質中，當線圈通過電流時，磁場分布主要集中在螺線管內部空間，而且在軸線附近磁力線分布近似均勻且平行，在外部空間磁場則很弱。由畢奧一薩伐爾定律可以得到螺線管軸線上距中心點處的磁感應強度為：(1)或者:令，得螺線管中心點的磁感應強度為：(2)令，得螺線管兩端面中心點的磁感應強度為(3)圖2直螺線管軸線上磁感應強度的分布圖3測量電路圖圖2是長直螺線管軸線上磁感應強度的分布曲線。2.用沖擊電流計測定磁感應強度圖3是用沖擊電流計測螺線管磁場的電路原理圖。圖中為直流可調恒流電源，為直流電流表，為雙刀雙擲開關，為互感器，為探測線圈，為螺線管，置于內軸線上，為數字式沖擊電流計，為回路總電阻。(為雙刀雙擲開關，需要時可切換施加的電源極性)。將合向端，則電源與螺線管接通，電流為,構成磁化電流回路。由于沖擊電流計、電阻、互感器的次級線圈和探測線圈T組成次級回路，當電流流經螺線管時，螺線管內磁場發生變化，欲測螺線管內部某點的磁感應強度，將探測線圈推置到該點，探測線圈與沖擊電流計相連，當磁通量改變，即有感應電流通過沖擊電流計，若測出沖擊電流計所遷移的電量，就可求得該點的磁感應強度。根據電磁感應定律，探測線圈中產生的感生電動勢的大小為：如果探測線圈回路的電阻為，則線圈中的瞬時感生電流的大小為：通過沖擊電流計遷移的電荷量為：設探測線圈的匝數為，有效截面積為。則：可得：(4)將合向端，則電源與互感器接通，電流為,構成磁化電流回路，則電動勢為：可以推導出：(5)將(5)式中的代入(4)式，式中的電阻是沖擊電流計內阻和電阻、探測線圈電阻及標準互感器次級線圈電阻等的總電阻，測量中保持不變。所以磁感應強度改寫為：式中為標準互感器的互感常數，為標準互感器工作電流，為探測線圈匝數，為探測線圈有效截面積。【實驗內容及要求】1．Q與螺線管內磁感應強度成正比圖4接線圖接線圖如圖4所示，將裝于拉桿中間(±17刻度位置處)的測量探頭T位置調節到螺線管軸線中心(即拉桿兩端的0刻線對齊螺線管二邊窗口刻線)，DQ-3A數字式沖擊電流計切換到200nC檔，再將K1下撥到負端，K2合向S端，電源與螺線管S接通。然后將JKI-1精密直流恒流輸出電源電流調節逆時針旋轉到底(即從0開始)，再將JKI-1開關K撥到正或者負。K1上撥到正，測量記錄沖擊電流計Q1值，然后再撥到負，測量記錄沖擊電流計Q2值，再撥到正，測量記錄沖擊電流計Q3值，然后再撥到負，測量記錄沖擊電流計Q4值，K1開關往返兩次測出4組數據，然后絕對值相加求平均(這樣做是為了消除沖擊檢流計的讀數誤差)。依次調節JKI-1精密直流恒流輸出電源IM(0～500mA)，按照上面的方法每增加50mA記錄一組數據(4個數據平均值)。作圖證明Q與螺線管內磁感應強度成正比。1、螺線管參數：(1)螺線管長度：mm,螺線管內徑mm，外徑mm。(2)螺線管層數10層，螺線管總匝數：匝。(3)螺線管軸線中心最大均勻磁場>6mT。2.探測線圈參數：m2(±0.5%)(±10匝)3.互感器參數：自感系數mH1：1，互感值：互感器上已標定。表1-1數據表1(mA)(nC)(nC)(nC)(nC)(nC)(T)00000005017.34-17.6317.59-17.6017.546.134×10-410034.55-34.3334.45-34.0034.331.227×10-315051.17-50.8951.33-50.9451.081.840×10-320068.33-67.3367.92-67.3367.732.454×10-325084.31-83.7784.67-84.4784.313.067×10-3300101.50-100.93101.23-100.71101.103.680×10-3350118.22-117.26118.46-117.89117.964.294×10-3400134.60-134.60134.67-134.06134.484.907×10-3450150.82-150.84151.33-150.05150.675.521×10-3500167.82-167.51167.70-168.07167.786.134×10-32．測定螺線管中心磁感應強度(螺線管與互感器)與實驗步驟1相同，保持測量探頭T于螺線管軸線中心，固定勵磁電流mA，將K2合向S端，DQ-3A數字式沖擊電流計切換到200nC檔，然后4次切換K1開關記錄4組數據，測量記錄對應的Q值(4組數據絕對值相加求平均)，再將K2合向M端，DQ-3A數字式沖擊電流計切換到2000nC檔電源與標準互感器M初級接通，然后4次切換K1開關記錄4組數據，測量記錄對應的Q0值(4組數據絕對值相加求平均)。根據公式，求出時螺線管中心磁場大小B，并與理論值進行誤差分析。表1-2數據表2(nC)(nC)(nC)(nC)(nC)(nC)(nC)(nC)(nC)(nC)167.82-167.51167.70-168.07167.78282.2-277.3279.9-270.8277.55理論值：()實驗值：相對誤差：(在此只測量中心點的磁場)3．螺線管軸線上磁感應強度的分布調節為500mA，置拉桿刻度在螺線管左邊窗口刻線指示“-13”位置(即cm)開始，拉至螺線管右邊窗口刻線指示“+13”位置(cm)結束，且每移動1cm，依據實驗1，2操作步驟測量記錄各位置的值(將合向端，電源與螺線管接通，通過轉換開關測量出4組值取平均)。(注意：根據儀器設計，探頭位于拉桿刻度±17cm處，要置至螺線管中心位置，則螺線管左、右邊窗口刻線讀數都為“0”。要置至螺線管左或右端面，螺線管左或右窗口刻線應指示-13cm(戓+13）。計算出各位置的(、的值可以依據步驟2中獲取，也可以重復步驟2操作獲取)，作磁場分布圖。找出值為螺線管中央一半數值的刻度位置。表1-3數據表3指針(nC)(nC)(nC)(nC)(nC)(T)-13029.58-29.6829.15-29.7629.54-12161.95-62.2461.73-62.5862.12-112111.02-111.54111.26-111.69111.37-103141.45-141.30141.15-141.86141.44-94154.39-155.57151.45-155.33154.19-85160.41-161.73160.76-161.31161.05-76163.20-163.93163.70-164.82163.91-67164.79-165.20165.31-165.64165.24-58165.74-167.63166.30-166.94166.65-49166.89-167.25167.00-167.30167.11-310167.42-167.61167.24-167.63167.48-211167.36-168.80167.72-168.04167.98-112167.50-167.69167.84-167.84167.72013167.21-168.07167.56-168.20167.76114167.43-168.62167.15-167.60167.70215167.16-168.21167.72-168.52167.90316167.20-168.82167.85-168.83168.18417168.00-168.68167.74-168.13168.14518167.30-168.61167.79-168.00167.93619167.23-168.65167.09-168.47167.86720166.65-167.04166.30-167.25166.81821165.61-166.28165.35-166.45165.92922164.71-165.09164.53-165.29164.901023162.84-163.39163.15-163.32163.181124159.74-160.09159.45-158.42159.421225153.09-154.20153.02-154.40153.681326135.24-135.61135.16-135.64135.41【拓展與設計】1.探測線圈匝數為什么要做千匝，但又要繞得很窄？2.為什么測量磁場時，互感器的次級線圈仍要接入測量回路？3.沖擊電流計與靈敏電流計主要區別是什么？【附錄】DQ-3A型數字式沖擊電流計使用說明書一、概述型數字式沖擊電流計是在原有沖擊電流計的基礎上，根據要求進一步改進研制而成的，使用大規模集成電路和高性能運算放大器及優質電子元器件組成的數字式測量儀表，性能上有了提高。沖擊電流計主要用于測量短時間脈沖所遷移的電量，故可用來測量與此相關的物理量，如電容器的電容量、電感器和直流磁場的磁感應強度等。該儀器用位半數碼管顯示測量結果，讀數清晰，數據自動保持，直至被下一次的測量數據自動取代，因而消除了人為的讀數誤差。二、技術性能1.沖擊電流計的量程：200.00nC～2000.0nC(兩擋)2.最高分辨率：C3.穩定度：在額定工作條件下經分鐘預熱及調零后，環境溫度變化時，儀器漂移個字。三、使用說明1.儀器面板(后蓋板)結構與功能：(1)電源插座(含保險絲管)、與電源開關：安裝在儀器后面板上，連接電源線，電源開關撥向“開”，接通電源，數碼管亮；(2)如圖1所示，輸入“+”和“-”其中“-”端與機殼接通，在需要屏蔽工作時請注意這一點；(3)調零開關：釋放“測量、調零”按鈕開關，儀器處于調零狀態；按下“測量、調零”按鈕開關，儀器處于測量狀態；(4)調零旋鈕：只在儀器處于“調零狀態下調整。2.使用方法：(1)接通電源開關，數碼管亮，預熱十分鐘；(2)撥動“量程選擇”，選擇合適的量程；(3)釋放“測量、調零開關”，旋動調零旋鈕，使顯示“0000.0”；(4)按下“測量、調零開關”，儀器處于待測狀態；(5)當輸入一短時間脈沖電流時，儀器自動消除前面的數據而將該次測量數據顯示在屏上；(6)若顯示為“”或數顯閃動時，則儀器過載，應更換大檔量程重新調零測量，或減小電路中的電壓及電流，實驗正常進行；(7)當沖擊信號較小，顯示約在以內時，誤差較大，這時應多測幾次或增加電路中的電壓及電流。3.注意事項：(1)由于測量對象為短時間脈沖電流所遷移的電量，