專利名稱：無自擾消水平地磁安培定則實驗器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種中學物理實驗儀器
背景技術：
安培定則發表于19世紀初，但因地磁場的干擾的問題解決不了，一直做不出用多枚小磁針把直線電流的磁場方向在空間分布的情景，分布的規律以及安培定則直接表現出來的實驗(簡稱安則實驗)，致使安培定則變得抽象、難學，這一情況持續近兩個世紀之久。直至21世紀，發明一種解決地磁干擾的問題的方法消除地磁場的水平分磁場(發明專利號ZL200710163847. I)。同時發明了一種用所述方法做安則實驗的儀器消除地磁場的水平分磁場安培定則實驗器(簡稱消水平地磁安則器)。地磁干擾的問題解決了，從而另一種干擾暴露了出來。在用消水平地磁安則器做安則實驗中暴露了出來。這種干擾使直線電流的磁場中某些地方的小磁針的N極的指向嚴重偏離直線電流的磁場的方向。此干擾來自儀器本身，來自回路中的電流所產生的磁場，稱之為“自擾”，此磁場稱之為“自擾磁場”。由于自擾，使小磁針的N極的指向偏離直線電流的磁場的方向的角度Θ，稱之為“自擾偏角Θ ”。當初，解決自擾的問題的方法讓產生自擾磁場的回路遠離小磁針，使自擾偏角Θ小到用肉眼看不出來的程度。這樣，雖然實驗的效果達到了，但卻使整個儀器的形體變得龐大，帶來諸多麻煩，要使整個儀器的形體小型化，就得從根本上消除自擾磁場。
發明內容本發明是為解決，在用消除地磁場的水平分磁場的方法做安培定則的實驗的儀器做安培定則的實驗中的自擾的問題，提供一種無自擾消水平地磁安培定則實驗器，其包括無自擾安則器，消水平地磁的裝置。無自擾安則器的結構完全相同的二方弓形回路并聯后再與豎直的直導線串聯形成的混聯電路的二路端分別接電源的正負極，形成閉合電路；二方弓形回路對稱地裝設在所述直導線的兩側并與所述直導線都在同一平面內；套穿設于所述直導線的中點的水平的觀察器的一條中線與所述平面垂直；將所述閉合電路架設在，安裝于儀器底座上的正方形的框架上，就構成了一部無自擾安則器；所述二方弓形回路中的二電流在所述中線的任一點上產生的二自擾磁場的磁感強度總是大小相等方向相反，矢量和為零，二自擾磁場同歸于盡。消水平地磁的裝置分居于所述正方形框架兩側外的兩塊相同的磁體板,一塊的N極與另一塊的S極正對，共同產生的勻強磁場的磁場方向與底座上的方向準線的箭頭的指向相反，而所述箭頭指向水平地磁的方向；所述觀察器上所有小磁針都在所述勻強磁場之中；所述二磁體板分別安置在兩輛分別運行于二導軌上的二小車上；向順或逆時針的方向扭轉旋鈕，借助絞繞在輪軸的軸上的細軟鋼絲繩和諸小滑輪，帶動二小車做方向相背或相向的運動，從而使二磁體板共同產生的勻強磁場變弱或變強，從而可把所述勻強磁場的磁感強度調整到與水平地磁大小相等方向相反，從而可消除水平地磁。
以下結合附圖對本發明做詳細描述圖I中有觀察器的正視圖、俯視圖、左視圖和仰視圖。圖2不出一枚部標為J11006的小磁針和一枚部標為J11005的大磁針。圖3中有小滑輪的正視圖、左視圖和沿A-A線的剖視圖。圖4中有輪軸的立體圖，正視圖和沿B-B線的剖視圖。 圖5、6示出用小型消水平地磁安則器做實驗中表現出來的自擾結果。圖7不出直線電流的磁場和自擾磁場。圖8示出消除自擾磁場的方法。圖9示出自擾磁場消除后的情況。
圖10示出無自擾的安則實驗。
圖11示出無自擾安則器。
圖12示出無自擾消水平地磁安培定則實驗器。
具體實施方式
對照圖I，觀察器10是一塊邊長為18cm的正方形薄板，其上面陰刻一組射線11和一組同心圓12(半徑為8cm、5cm、2cm)，其中心013處有一小圓孔13，其背面中央有一彈簧夾14。對照圖2，部標為J11006的小磁針15長2. 8cm ;部標為J11005的大磁針16長14cm。圖3中小滑輪17的直徑為2cm。對照圖4.輪軸的輪18做為旋鈕18，其直徑為3cm。輪軸的軸19用以絞繞細軟鋼絲繩。圖5、6示出用小型消水平地磁安則器做的安則實驗結果。小型消水平地磁安則器中豎直的直導線I與弓背5的長度都是40cm ；水平的上、下弓臂3、4的長度都是20cm ；水平的觀察器10套穿設于豎直的直導線I的中點；直導線I、方弓形回路2及觀察器10上的中線21都在同一平面Pf3內；中線24垂直于平面PP3。用小型消水平地磁安則器做的實驗中出現的自擾偏角Θ :G點31與R點36處的二小磁針31與36的自擾偏角為Θ e與θ R則Θ G = θ R = 29。；二小磁針32與35的自擾偏角為θ Η與Θ Q ;[0038]則ΘΗ = 0Q = 19。；二小磁針33與34的自擾偏角為θ κ與Θ l ;則θκ = 0L = 4。；對照圖7.小磁針的自擾偏角的計算，實際上就是小磁針所在點的磁場的方向的計算，詳細計算放到附注中進行。計算R點36的磁場方向直導線I中電流(以下簡稱電流I)的電流強度為10A、其在R點36產生的磁場的 磁感強度為B1e = 2. 32 X IO^5T而其方向與半徑為8cm的同心圓相切,方向向右。方弓形回路2中的電流2在R點36產生的磁感強度為B2K。磁感強度矢量B2k分解為方向與B1k垂直的Β\ι及方向與B1k平行的B2m而B2k11的方向恰與B1k的方向相反。B2k 丄=L 17 X 1(Γ5Τ ；B2E11 = O. 23 X KT5T自擾偏角
Θ R = arctg—-^ rx2 arctg---29° u, n
B1r-B2ru-6 2.32-0.23 一 y 14 ⑴由上面⑴式可見到底有沒有自擾偏角完全取決于⑴式中的分子Β\ι[0051 ]右 Br^=O 則 θκ = 0;若B2k 丄古 O 則 Θ K ^ O ;同時可見Β2Κ11只能影響Θ R的大小而與θ R是否為零完全無關。所以稱……B2k丄為自擾磁場，而自擾磁場完全來自方弓形回路2。但是，方弓形回路2中的電流在中線21的各點上不產生自擾磁場。(附注中再說明)用完全相同的方法和過程，可算出0g = 29。14' ;0h=0q=19。24' ; θ κ = Θ L = 4。對照圖8.消除自擾磁場的方法給消水平地磁安則器加裝一個方弓形回路6。并聯的二方弓形回路2、6完全相同，分居于直導線I的兩側，并且和直導線I都在同一平面23內。套穿設于直導線I的中點的水平的觀察器10的中線24垂直于平面23。由電源20引出的電流強度為10安培的電流，流經直導線I后，二等分為兩支電流強度都是5安培的支流，分別流經二方弓形回路2、6后，合流于匯流棒37再流回電源20。此時，直線電流I在R點36產生的磁場的磁感強度仍為B1e = 2. 32 X IO^5T但此時，方弓形回路2中電流卻為5安培，所以，此時
I 17B2RJ.= ~ ~X 10~5Γ=0.59Χ 10_5Γ方弓形回路6在R點36產生的自擾磁場…、丄 I = Ib2i^ I = 0.59 χιο_5τ但矢量B6U與B2U的方向恰相反[0068]故矢量和+ — O用同樣的方法可算得電流6與電流2在中線24上的Q、L、K、H、G點上產生的自擾磁場的矢量和BiT1 +BiTi、-B2L + S5^i-、-S2Tjl + B6Zfl^ B1Gi + B6Ci-^M等于
零，自擾磁場相互抵消。對照圖9. G、R、H、K、L、Q各點自擾磁場都已消除，則在這些點上就只有直線電流I的磁場 B1。、B、、B、、B1PB1P B1qij對照
圖10.中線24上各點的自擾磁場都已消除而中線21上本來就沒有自擾磁場，所以若無水平地磁的干擾，則觀察器10上所有小磁針的N極都應該轉到并停駐在直線電流I在各小磁針處產生的磁場的方向上。
圖11示出一臺無自擾安則器，其結構直導線I與并聯的二方弓形回路2、6串聯 成的混聯電路，通過匯流棒37、分流塊38以及諸定位小圓環39，架設在安裝于底座40上的正四方形框架41上；底座40上陰刻的方向準線42與正四方形框架41平行；通過中心小孔13，水平的觀察器10套穿設于豎直的直導線I的中點13 ;直導線I、二方弓形回路2、6及中線21都在同一平面PP3內沖線24與平面PP3垂直；所述混聯電路的二路端分別接電源20的正負極。此無自擾安則器，若在地磁水平強度為O的地磁南、北極，就可直接做安則實驗了，不需調整、不用管它的水平朝向如何，只要把它放到水平臺面上，接通電路就可做安則實驗了，觀察器10上的所有小磁針的N極都轉到并停駐在直線電流I在各小磁針處產生的磁場的方向上。在地磁南、北極做實驗是不可能的，而在其它任何地方做實驗，都要受水平地磁的干擾，所以此無自擾安則器上必須裝上一套消水平地磁的裝置，如
圖12所示A.無自擾消水平地磁安則器的機制分居于無自擾安則器(
圖11中示出的)兩側的兩塊完全相同的磁體板43、44，一塊的N極與另一塊的S極相互正對。二磁體板43、44的共有軸線51與直導線I垂直相交于直導線I的中點13，二磁體板43、44與直導線I的距離相等。軸線51與方向準線42平行。二磁體板43、44共同在其正中間產生的勻強磁場區(稱為人為勻強場)內的磁場的方向恰與方向準線42的箭頭的指向相反。觀察器10上面的所有小磁針都在人為勻強場內。二磁體板43、44分別安裝于運行在二導軌47、48上的二小車45、46上。向順時針或逆時針方向扭轉旋紐18 (即輪軸的輪18)，通過絞繞在軸19上的細軟鋼絲繩50和眾小滑輪17，牽拉二小車45、46做方向相背或方向相向的運動，從而使二磁體板43、44間的距離變大或變小,從而使人為勻強場的強度變小或變大。B.無自擾消水平地磁安則器的調整將整個儀器放到水平的臺面上，從二小車45、46上拿下二磁體板43、44放到2米以遠處。將大磁針16頂在頂針49的針尖上，在地磁場的作用下，大磁針16的N極轉到并停駐在水平地磁的方向上。以大磁針16的N極停駐的方向為準，在水平臺面上轉動整個儀器至陰刻在底座板40上的方向準線42的箭頭與靜止在地磁場中的大磁針16的N極重合。取回二磁體板43、44放回原二小車45、46上。觀察器10上只留最靠近直導線I的小磁針之一的D點28處的小磁針28，其余全部拿下。此時，若小磁針28出現隨遇平衡。就說明水平地磁已消除，就可將所有小磁針放回原處，接通電路就可做安則實驗了。此時，若小磁針28的N極仍指著水平地磁的方向，就說明水平地磁強于人為勻強場，就應向逆時針方向慢慢扭轉旋紐18至小磁針28出現隨遇平衡。此時，若小磁針28指著人為勻強場的方向，則要向順時針方向扭轉旋紐18至小磁針28達到隨遇平衡。水平地磁和自擾磁場都消除后，觀察器10上所有小磁針都指著直線電流I在每個小磁針處產生的磁場的方向，每個小磁針都與其所在的同心圓12相切而與其所在的中線21與24相垂直，若握直導線I的右手的伸直的拇指指電流的方向則彎曲的四個手指指的就 是磁感線環繞的方向，這就是本實驗要達到的目的。
權利要求1.一種無自擾消水平地磁安培定則實驗器，其包括無自擾安則器；消除水平地磁的裝置； 所述無自擾安則器的結構并聯的二方弓形回路(2、6)與豎直的直導線(I)串聯成的混聯電路架設在裝在底座(40)上的正四方形框架(41)上；所述混聯電路的二路端分別接電源(20)的二電極；水平的觀察器(10)套穿設于豎直的直導線(I)的中點，一組小磁針(15)分別放在一組同心圓(12)與二中線(21、24)的諸交點上。
所述消水平地磁的裝置的機制分居于正四方形框架(41)兩側的兩塊完全相同的磁體板(43、44), 一塊的N極與另一塊的S極相互正對所產生的勻強磁場的磁場方向與陰刻在底座(40)上的方向準線(42)的箭頭的指向相反而方向準線(42)的箭頭指向水平地磁的方向；觀察器(10)上所有的小磁針(15)都在所述勻強磁場之中，二磁體板(43、44)分別安置在兩輛分別運行于二導軌(47、48)上的二小車(45、46)上；向順時針或逆時針方向扭轉旋鈕(18)，借助絞繞在軸(19)上的細軟鋼絲繩(50)和諸小滑輪(17)，帶動二小車(45、46)做方向相背或相向的運動，從而使二磁體板(43、44)共同產生的勻強磁場變弱或變強；其特征在于二方弓形回路(2、6)完全相同，對稱地分居于直導線⑴的兩偵h并與直導線⑴都在同一平面(23)內；二方弓形回路(2、6)中的電流在垂直于平面(23)的中線(24)上的R、Q、L、K、H、G、各點上產生的諸自擾磁場Β2κι、B20 B2l B2k B2h B2g 與 B6k ^B6q 丄、B6u、B6k 丄、B6h 丄、B6G 丄的諸矢量和Kx+ . +Kx+Kl ^+ 都等于零，自擾磁場互相抵消。
專利摘要本實用新型涉及一種無自擾消水平地磁安培定則實驗器，其包含消除自擾磁場的裝置，即二方弓形回路(2、6)。相同的二方弓形回路(2、6)并聯，再與豎直的直導線(1)串聯成的混聯電路的二路端接電源(20)。二方弓形回路(2、6)對稱地分居直導線(1)的兩側并與直導線(1)都在平面(23)內。套穿設于直導線(1)中點的水平的觀察器(10)的中線(24)與平面(23)垂直。二方弓形回路(2、6)中的電流在中線(24)的R、Q、L、K、H、G、各點產生的自擾磁場B2R⊥、B2Q⊥、B2L⊥、B2K⊥、B2H⊥、B2G⊥與B6R⊥、B6Q⊥、B6L⊥、B6K⊥、B6H⊥、B6G⊥的諸矢量和都等于零，二自擾磁場互相抵消。
文檔編號G09B23/18GK202601044SQ20122004511
公開日2012年12月12日 申請日期2012年2月13日 優先權日2012年2月13日
發明者許鴻濱 申請人:許鴻濱