THQXF-1型 磁悬浮实验仪实验
一、实验目的
1． 观察磁悬浮物理现象。
2． 深化对磁场能量、电感参数和电磁力等知识点的理解。 二、实验仪器
THQXF-1型 磁悬浮实验仪及配件。 三、实验原理
根据法拉第电磁感应定律，闭合导体回路中的磁通量变化时，回路中就会产生感应电动势，如果回路的电阻较小，则感应电动势将使回路中产生很大的感应电流。在大块导体中，因感应电流呈涡漩状，故称为电涡流。电涡流可使导体发热，也可以产生电磁力效应。
本实验装置中，如图所示利用扁平盘状线圈在调压器提供的50Hz交变电流激励下产生交变磁场。铝板自身构成闭合回路，在励磁磁场的作用下铝板中感生涡流。励磁线圈产生的磁场与铝板中涡流产生的感应磁场存在相互斥力，当电流增大到使两磁场间的作用力大于线圈自身的重力时，线圈便会浮起呈现磁悬浮状态。
图1 磁悬浮示意图
图2 线圈驱动电流与涡流的对应关系
当线圈中通过电流i1时， i1?sin?t
ω为驱动电流的角频率； 则铝盘中涡流i2可以表示为 i2?Msin(?t??)
式中M为涡流的感应系数，其值与线圈与导电铝板之间的距离相关；?为涡流与线圈驱动电流之间的相位差。
取驱动电流与感生涡流之间的相互作用系数为M'，则线圈与铝板之间的作用力可表示为
f(t)??M'Msin?tsin(?t??)
1令A=M’M，由sin?tsin(?t??)?[cos??cos(2?t??)]可得
2f(t)??A[cos??cos(2?t??)] 2由上式可知，作用力F分为两部分，一部分为交变力，其频率为驱动电流的两倍（100Hz），另一部分为常量，表示为平均斥力，当平均斥力与重力平衡时，导体即可悬浮于空中振动。 四、实验步骤
1．电磁悬浮实验
1） 将铁质圆立柱安装在塑料底座上。 2） 将线圈放置于塑料底座上。
3） 将调压器调节手柄逆时针旋到底，使指针指向0V。 4） 将10mm厚铝板放置于线圈之上。 5） 将电源输出接于线圈两接线柱上。
6） 打开电源开关，顺时针旋转调压器调节手柄，使输出电压缓慢增加，铝板随之浮起。 7） 按表1记录线圈通过的电流及铝板悬浮的高度（输出电流不要超过10A）。 8） 将调压器调节手柄逆时针旋到底，使指针指向0V，关闭电源。 表1 选择13mm铝板时线圈悬浮高度与线圈驱动电流间的关系 电流（A） 高度（mm） 0 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 2．铝板厚度对悬浮高度的影响实验 1） 改用塑料圆柱安装在塑料底座上。
2） 将13mm铝板固定于塑料底座上，线圈放于铝板之上。 3） 检查调压器调节手柄是否逆时针旋到底，使指针指向0V。 4） 将电源输出接于线圈两接线柱上。 5） 记下线圈上表面所处的高度。
6） 打开电源开关，顺时针旋转调压器调节手柄，使输出电压缓慢增加。 7） 按表2记录线圈通过的电流及线圈悬浮高度（输出电流不要超过10A）。 8） 将调压器调节手柄逆时针旋到底，使指针指向0V，关闭电源。
表2 选择13mm铝板时线圈悬浮高度与线圈驱动电流间的关系 电流（A） 高度（mm） 0 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 （9）用6mm铝板替换13mm铝板，重复步骤（3）～（8）并将数据记入表3。 表3 选择6mm铝板时线圈悬浮高度与线圈驱动电流间的关系
电流（A） 高度（mm） 0 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 3．介质材料对悬浮高度的影响实验 1） 将铁质圆柱安装在塑料底座上。
2） 将13mm铝板固定于塑料底座上，线圈放于铝板之上。 3） 将调压器调节手柄逆时针旋到底，使指针指向0V。 4） 将电源输出接于线圈两接线柱上。 5） 记下线圈上表面所处的高度。
6） 打开电源开关，顺时针旋转调压器调节手柄，使输出电压缓慢增加。 7） 按表4记录线圈通过的电流及悬浮高度（输出电流不要超过10A）。 8） 将调压器调节手柄逆时针旋到底，使指针指向0V，关闭电源。 表4 选择铁质圆柱时线圈悬浮高度与线圈驱动电流间的关系 电流（A） 高度（mm） 0 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 五、数据处理 1． 根据表1，做出铝板悬浮高度与线圈驱动电流间关系的曲线
2． 根据表2和表3中的数据，做出铝板厚度不同时线圈悬浮高度与线圈驱动电流间关系的曲线。
3． 根据表2和表4中的数据，做出有无铁柱两种情况下线圈悬浮高度与线圈驱动电流间关系的曲线。以此了解铁质材料对电磁场分布的影响。 六、注意事项
1．在通电状态下应特别注意不要将电源输出端短路。实验过程中应遵守以下两点： 1） 开始做实验时，先将线路连好，然后打开电源开关。 2） 实验完毕后，先关闭电源开关，然后将连接导线拆除。
2．实验过程中线圈温度上升很快，当温度达到120℃时温度保护开关会自动断开（以免将线圈烧坏），冷却到80℃时会自动闭合。
3．实验过程中，线圈温度较高，不要让皮肤接触到线圈，以免烫伤。
THQHC-1型 亥姆霍兹线圈磁场测定仪实验
亥姆霍兹线圈磁场测定实验是物理实验中的典型实验，通过该实验可以学习和掌握弱磁场的测量方法，证明磁场叠加原理，描绘磁场分布。 一、实验目的
1．测量单个圆线圈x轴上的磁场分布；
2．测量线圈A、B单独在轴线上某点产生的磁感应强度BA、BB以及亥姆霍兹线圈在此点产生的磁感应强度BA?B，并验证BA+BB=BA?B；
3．测量亥姆霍兹线圈间距为7cm，10cm，15cm时，x轴上的磁场分布，并进行比较； 4．测量单个圆线圈y轴上的磁场分布；
5．测量亥姆霍兹线圈间距为7cm时，y轴上的磁场分布。 二、实验原理
1．通电圆线圈轴线上的磁场分布
设圆线圈的半径为R，匝数为N，在通以电流I时，则线圈轴线上一点P的磁感应强度B等于：
B?2R?x??0IR2N2232???0IN?x??2R?1?2??R??232 （1）
式中?0为真空磁导率，x为P点坐标，原点在线圈中心，线圈轴线上磁场B与x的关系，如图1所示。
BxO 图1 通电圆线圈B?x曲线
2．亥姆霍兹线圈轴线上的磁场分布
亥姆霍兹线圈是由一对半径R、匝数N均相同的圆线圈组成，二线圈彼此平行而且共轴，线圈间距离正好等于半径R，如图2所示，坐标原点取在二线圈中心连线的中点O。
BxIOBRBOPR/2R/2OARAIx3R/2RR/2R/2R3R/2x 图2 亥姆霍兹线圈结构 图3 亥姆霍兹线圈B?x曲线
给二线圈通以同方向、同大小的电流I，它们在轴上任一点P产生的磁场的方向将一致，
A线圈对P点的磁感应强度BA等于：
BA??0IR2N?2?R??2?R???x???2?????232 （2）
B线圈对P点的磁感应强度BB等于：
BB??0IR2N?2?R?2?R???x??2???2????32 （3）
在P点处A、B的合场强Bx等于：
Bx??0IR2N?2?R?2?R???x??2???2????32??0IR2N?2?R?2?R???x??2???2????32 （4）
由式（4）可以看出，B是x的函数，公共轴线中点x?0处B值为：
?NI?8?B(0)?0??
R?532?很容易算出在x?0处和x?R处两点Bx值的相对差异约为0.012%，在理论上可以证10明，当二线圈的距离等于半径时，在原点O附近的磁场非常均匀，图3为B?x曲线。
x三、实验器件
THQHC-1型 亥姆霍兹线圈磁场测量实验仪 四、实验步骤
仪器需要开机预热30分钟，并对特斯拉计调零后，才能进行实验测量。 (一) x轴（线圈轴心）磁场分布的测量 1．单个圆线圈x轴磁场分布的测量
使线圈A的中心线对准刻度标尺的17.5cm处，另一个线圈放置在一边。调节线圈励磁电流电位器，把励磁电流调节到0.50A。移动滑块?，使滑块?的中心对准刻度标尺的6cm处。记下此时磁场的大小，然后把滑块?往右移动，每隔1cm测量一次，把所测得的数据填入表（1）。