欧英雷

（广东工贸职业技术学院 电气自动化系，广东 广州510510）

1 引 言

电流能产生磁场，这种现象称为电流的磁效应．稳恒电流只能存在于闭合回路中，闭合回路的形状和大小千变万化，每个载流的闭合回路产生的磁场与它的形状、大小和位置都有关．在研究有一定形状和大小的载流闭合回路产生的磁场时，可以把它们分割为许多无穷小的载流元，每个载流元看作是一段直电流．只要弄清楚任意一段直电流产生的磁场的规律，就可以利用磁场叠加的方法，把整个载流闭合回路产生的磁场的规律概括出来．在实际情况中，若在闭合回路中有一段长度为l的直导线，在其附近d≪l的范围内，可以近似认为该导线为无限长的直导线，因此直电流产生的磁场μ0为真空磁导率．当l足够大，d足够小时，B就能确定．本文设计了一套实验装置，该装置的特点在于能方便地利用闭合的螺线管来测量出直电流周围磁场的变化情况．

2 实验方法

磁场也能产生电流，为了验证磁场的存在和变化，可以通过检测感生电流的存在与否来判定．在穿过闭合电路所包围的面积中的磁通量发生变化时，该电路中就会产生感生电流．笔者设计了相应的实验装置就可以将变化电流产生磁场，变化磁场又产生感应电流的相互关系反映出来．

2．1 探究直电流周围磁场变化的实验装置

图1中，R为变阻器，K为换向开关，ab为直导线，G为灵敏电流计（零位在中间），ab垂直于P所在的平面．

图1 探究直流导线周围磁场变化的实验电路图

本实验装置最关键的部分为P，P为螺绕环，是在磁导率为μ的圆环形芯子上，均匀而紧密地绕有N匝的线圈．这个圆环形的螺线形线圈是密绕的，可以把它近似地看成是一系列圆线圈并排起来组成的．当ab垂直穿过P平面的中心时，直电流ab产生的磁场的磁感线是沿着垂直于ab的平面内的同心圆．因此螺绕环中的线圈能最大限度地接收直电流磁场的磁感线数目．通过P的电磁感应作用使闭合电路中G的指针发生偏转．

1）当ab中的I恒定时，G的指针指零．P中没有感应电流，根据电磁感应定律，说明直电流ab周围的磁场的磁通量没有发生变化，也就是稳恒电流周围的磁场也是稳恒的．

2）通过K改变ab中I的方向时，G的指针发生瞬时偏转．说明P中出现了短暂的感应电流，螺绕环有电磁感应现象，ab周围的磁场发生了变化，即直导线中电流方向改变时，其周围的磁场的方向也发生改变．

3）通过K接通或断开ab中的I时，G的指针均发生偏转，但方向相反．这表明P中发生了电磁感应现象，ab周围的磁场发生了变化．

4）利用变阻器R迅速增加ab中的I值时，G的指针发生偏转．表明穿过螺绕环线圈中的磁通量发生了变化，使螺绕环线圈中出现了感应电流．从而证明ab中电流增大时，其周围的感应强度也将增大．

5）利用变阻器R迅速减少ab中的I值时，G的指针向反向偏转．表明穿过螺绕环线圈中的磁通量发生了改变，使螺绕环线圈中出现了感应电流，但其电流方向与上述情况相反．从而证明ab中电流减少时，其周围的感应强度也将减小．

除了上述的几种情况以外，还可以通过改变直导线ab与螺绕环P之间的位置关系，来检验实验装置是否还能正确地判断直电流周围磁场的变化规律．使ab与P的平面处于平行状态，即ab在P平面的上方，在P平面的下方，在P平面的左侧、右侧、前方或后方，然后，重复进行上述各项实验，结果无论直导线电流I的方向如何，是否改变，大小是恒定、增加还是减少，螺绕环闭合电路中的灵敏电流计的指针均指在零位．这充分说明P中没有发生电磁感应现象，穿过P中线圈的磁通量没有发生变化．因此，在这些情况下，无法判断直电流ab周围的磁场的变化规律，达不到应有的实验目的．

另外，将直导线置于螺绕环P横截面的圆心处，改变螺绕环P的半径，在ab垂直于螺绕环平面的情况下，P的半径越大，当流过ab的电流的大小和方向发生变化时，螺绕环电路中灵敏电流计指针偏转的角度越小．这表明距离直导线越远处，由于直电流的改变而引起的周围磁场的变化也越小．

2．2 进一步改进的实验装置

利用螺绕环装置可方便地探究出直电流周围的磁场变化情况，但由于受到直导线电流周围的磁场较弱，穿过螺绕环线圈的磁通量的改变量较小等因素的影响，本装置在实际实验过程中，不可避免地会出现灵敏度不高，从而影响了本实验装置用于测定直导线电流周围磁场的变化情况的应用．为了改变这种状况对本实验装置进一步改进和完善，使其更能适合于课堂上的实际操作．具体的改进电路如图2所示．

图2 改进实验装置电路图

图2中，R为变阻器，K为正反向开关，ab为直导线，G为灵敏电流计（零位在中间），ab垂直穿过圆柱体P的中心．

P是纵剖面为矩形的圆柱体线圈，装置图中只是画出了半个圆柱体线圈的图形．该线圈是在磁导率为μ的空心的圆柱体芯上，均匀而紧密地绕有N匝的线圈．在图3中，圆柱形线圈的内环半径为r1，外环半径为r2，高为h．当r1足够小，而h又足够大，且r1≪ab时，在真空中通以电流I的直导线ab，在其周围相距为r1处的磁感应强度为为真空磁导率．

图3 圆柱体线圈结构

改进以后的实验装置中出现了圆柱体线圈，而圆柱形线圈的最大特点是圆柱形线圈中的每个矩形线圈所确定的平面均与通电直导线ab平行．直导线电流ab产生的磁场的磁感应线是一系列沿着垂直于导线ab的平面内的同心圆，其磁感应强度的方向均垂直于每个矩形线圈的平面．根据磁通量的定义，这种情况下的线圈接收的磁感线条数将达到最大值，从而提高了每个矩形线圈中单位时间内磁通量的变化量，使得法拉第电磁感应的现象更加明显，更加易于通过实验装置观察、检验和测量到电磁感应的电流值，从而使利用简单、方便的方法验证直电流周围磁场变化的规律成为可能．因此，可以利用这套实验装置，重新进行上述各项实验内容，也就是通过改变K和R，改变ab中电流的大小和方向，观察G的指针偏转情况来进一步验证直电流ab周围磁场的变化，同样可以得到相同的结论．

3 结束语

探究直流导线周围磁场变化的规律，是基础物理学教学的重要环节，利用直观的可操作的简便装置来反映抽象的看不见的磁场与电流的联系，对于物理教学具有一定的现实意义．本文提出的这套实验装置，不但简单方便，可操作性强，而且还涉及到了较多的电磁现象，可以进行多个电磁实验，更好地验证了直电流周围磁场的变化情况．