專利名稱：無自擾消水平地磁安培定則實(shí)驗(yàn)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器
背景技術(shù)：
安培定則發(fā)表于19世紀(jì)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(guī)律以及安培定則直接表現(xiàn)出來的實(shí)驗(yàn)(簡稱安則實(shí)驗(yàn))，致使安培定則變得抽象、難學(xué)，這一情況持續(xù)近兩個(gè)世紀(jì)之久。直至21世紀(jì)，發(fā)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(fā)明專利號ZL200710163847. I)。同時(shí)發(fā)明了一種用所述方法做安則實(shí)驗(yàn)的儀器消除地磁場的水平分磁場安培定則實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yán)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(chǎn)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(dāng)初，解決自擾的問題的方法讓產(chǎn)生自擾磁場的回路遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)的效果達(dá)到了，但卻使整個(gè)儀器的形體變得龐大，帶來諸多麻煩，要使整個(gè)儀器的形體小型化，就得從根本上消除自擾磁場。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)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(shí)驗(yàn)的儀器做安培定則的實(shí)驗(yàn)中的自擾的問題，提供一種無自擾消水平地磁安培定則實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)完全相同的二方弓形回路并聯(lián)后再與豎直的直導(dǎo)線串聯(lián)形成的混聯(lián)電路的二路端分別接電源的正負(fù)極，形成閉合電路；二方弓形回路對稱地裝設(shè)在所述直導(dǎo)線的兩側(cè)并與所述直導(dǎo)線都在同一平面內(nèi)；套穿設(shè)于所述直導(dǎo)線的中點(diǎn)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(shè)在，安裝于儀器底座上的正方形的框架上，就構(gòu)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(diǎn)上產(chǎn)生的二自擾磁場的磁感強(qiáng)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(cè)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(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場的磁場方向與底座上的方向準(zhǔn)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(qiáng)磁場之中；所述二磁體板分別安置在兩輛分別運(yùn)行于二導(dǎo)軌上的二小車上；向順或逆時(shí)針的方向扭轉(zhuǎn)旋鈕，借助絞繞在輪軸的軸上的細(xì)軟鋼絲繩和諸小滑輪，帶動二小車做方向相背或相向的運(yùn)動，從而使二磁體板共同產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場變?nèi)趸蜃儚?qiáng)，從而可把所述勻強(qiáng)磁場的磁感強(qiáng)度調(diào)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(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)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(biāo)為J11006的小磁針和一枚部標(biāo)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(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出來的自擾結(jié)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(shí)驗(yàn)。
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(shí)驗(yàn)器。
具體實(shí)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(biāo)為J11006的小磁針15長2. 8cm ;部標(biāo)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(xì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。小型消水平地磁安則器中豎直的直導(dǎo)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(shè)于豎直的直導(dǎo)線I的中點(diǎn)；直導(dǎo)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(nèi)；中線24垂直于平面PP3。用小型消水平地磁安則器做的實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的自擾偏角Θ :G點(diǎn)31與R點(diǎn)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(jì)算，實(shí)際上就是小磁針?biāo)邳c(diǎn)的磁場的方向的計(jì)算，詳細(xì)計(jì)算放到附注中進(jìn)行。計(jì)算R點(diǎn)36的磁場方向直導(dǎo)線I中電流(以下簡稱電流I)的電流強(qiáng)度為10A、其在R點(diǎn)36產(chǎn)生的磁場的 磁感強(qiáng)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(diǎn)36產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度為B2K。磁感強(qiáng)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(shí)可見Β2Κ11只能影響Θ R的大小而與θ R是否為零完全無關(guān)。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(diǎn)上不產(chǎn)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(gè)方弓形回路6。并聯(lián)的二方弓形回路2、6完全相同，分居于直導(dǎo)線I的兩側(cè)，并且和直導(dǎo)線I都在同一平面23內(nèi)。套穿設(shè)于直導(dǎo)線I的中點(diǎn)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(qiáng)度為10安培的電流，流經(jīng)直導(dǎo)線I后，二等分為兩支電流強(qiáng)度都是5安培的支流，分別流經(jīng)二方弓形回路2、6后，合流于匯流棒37再流回電源20。此時(shí)，直線電流I在R點(diǎn)36產(chǎn)生的磁場的磁感強(qiáng)度仍為B1e = 2. 32 X IO^5T但此時(shí)，方弓形回路2中電流卻為5安培，所以，此時(shí)
I 17B2RJ.= ~ ~X 10~5Γ=0.59Χ 10_5Γ方弓形回路6在R點(diǎn)36產(chǎn)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(diǎn)上產(chǎn)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(diǎn)自擾磁場都已消除，則在這些點(diǎn)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(diǎn)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(yīng)該轉(zhuǎn)到并停駐在直線電流I在各小磁針處產(chǎn)生的磁場的方向上。
圖11示出一臺無自擾安則器，其結(jié)構(gòu)直導(dǎo)線I與并聯(lián)的二方弓形回路2、6串聯(lián) 成的混聯(lián)電路，通過匯流棒37、分流塊38以及諸定位小圓環(huán)39，架設(shè)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(zhǔn)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(shè)于豎直的直導(dǎo)線I的中點(diǎn)13 ;直導(dǎo)線I、二方弓形回路2、6及中線21都在同一平面PP3內(nèi)沖線24與平面PP3垂直；所述混聯(lián)電路的二路端分別接電源20的正負(fù)極。此無自擾安則器，若在地磁水平強(qiáng)度為O的地磁南、北極，就可直接做安則實(shí)驗(yàn)了，不需調(diào)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(shí)驗(yàn)了，觀察器10上的所有小磁針的N極都轉(zhuǎn)到并停駐在直線電流I在各小磁針處產(chǎn)生的磁場的方向上。在地磁南、北極做實(shí)驗(yàn)是不可能的，而在其它任何地方做實(shí)驗(yàn)，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(jī)制分居于無自擾安則器(
圖11中示出的)兩側(cè)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(dǎo)線I垂直相交于直導(dǎo)線I的中點(diǎn)13，二磁體板43、44與直導(dǎo)線I的距離相等。軸線51與方向準(zhǔn)線42平行。二磁體板43、44共同在其正中間產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場區(qū)(稱為人為勻強(qiáng)場)內(nèi)的磁場的方向恰與方向準(zhǔn)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(qiáng)場內(nèi)。二磁體板43、44分別安裝于運(yùn)行在二導(dǎo)軌47、48上的二小車45、46上。向順時(shí)針或逆時(shí)針方向扭轉(zhuǎn)旋紐18 (即輪軸的輪18)，通過絞繞在軸19上的細(xì)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(yùn)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(qiáng)場的強(qiáng)度變小或變大。B.無自擾消水平地磁安則器的調(diào)整將整個(gè)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(yuǎn)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(zhuǎn)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?yàn)闇?zhǔn)，在水平臺面上轉(zhuǎn)動整個(gè)儀器至陰刻在底座板40上的方向準(zhǔn)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(dǎo)線I的小磁針之一的D點(diǎn)28處的小磁針28，其余全部拿下。此時(shí)，若小磁針28出現(xiàn)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(shí)驗(yàn)了。此時(shí)，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(qiáng)于人為勻強(qiáng)場，就應(yīng)向逆時(shí)針方向慢慢扭轉(zhuǎn)旋紐18至小磁針28出現(xiàn)隨遇平衡。此時(shí)，若小磁針28指著人為勻強(qiáng)場的方向，則要向順時(shí)針方向扭轉(zhuǎn)旋紐18至小磁針28達(dá)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(gè)小磁針處產(chǎn)生的磁場的方向，每個(gè)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(dǎo)線I的右手的伸直的拇指指電流的方向則彎曲的四個(gè)手指指的就 是磁感線環(huán)繞的方向，這就是本實(shí)驗(yàn)要達(dá)到的目的。
權(quán)利要求1.一種無自擾消水平地磁安培定則實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)并聯(lián)的二方弓形回路(2、6)與豎直的直導(dǎo)線(I)串聯(lián)成的混聯(lián)電路架設(shè)在裝在底座(40)上的正四方形框架(41)上；所述混聯(lián)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(shè)于豎直的直導(dǎo)線(I)的中點(diǎn)，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(diǎn)上。
所述消水平地磁的裝置的機(jī)制分居于正四方形框架(41)兩側(cè)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(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場的磁場方向與陰刻在底座(40)上的方向準(zhǔn)線(42)的箭頭的指向相反而方向準(zhǔn)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(qiáng)磁場之中，二磁體板(43、44)分別安置在兩輛分別運(yùn)行于二導(dǎo)軌(47、48)上的二小車(45、46)上；向順時(shí)針或逆時(shí)針方向扭轉(zhuǎn)旋鈕(18)，借助絞繞在軸(19)上的細(xì)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(yùn)動，從而使二磁體板(43、44)共同產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場變?nèi)趸蜃儚?qiáng)；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(dǎo)線⑴的兩偵h并與直導(dǎo)線⑴都在同一平面(23)內(nèi)；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(diǎn)上產(chǎn)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(shí)用新型涉及一種無自擾消水平地磁安培定則實(shí)驗(yàn)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(lián)，再與豎直的直導(dǎo)線(1)串聯(lián)成的混聯(lián)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(dǎo)線(1)的兩側(cè)并與直導(dǎo)線(1)都在平面(23)內(nèi)。套穿設(shè)于直導(dǎo)線(1)中點(diǎn)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(diǎn)產(chǎn)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(yōu)先權(quán)日2012年2月13日
發(fā)明者許鴻濱 申請人:許鴻濱