CN210777432U

CN210777432U - 一种探究两平行通电导线间相互作用力的演示实验仪

Info

Publication number: CN210777432U
Application number: CN201920594369.8U
Authority: CN
Inventors: 蒋达国; 叶媛秀; 郑凯倪; 薄文云; 邓昌滨
Original assignee: Jinggangshan University
Current assignee: Jinggangshan University
Priority date: 2019-04-24
Filing date: 2019-04-24
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2029-04-24

Abstract

本实用新型公开了一种探究两平行通电导线间相互作用力的演示实验仪，包括底座、第一水平仪、第一调平螺丝、竖梁、横梁、圆孔、螺母、第一线圈、圆柱棒、刻度尺、第一直流稳压电源、第一开关、支架、电子天平、第二水平仪、第二调平螺丝、载物台、第二线圈、第二直流稳压电源、第二开关和导线，所述的第一直流稳压电源、第一线圈和第一开关通过导线串联接成闭合回路1，所述的第二直流稳压电源、第二线圈和第二开关通过导线串联接成闭合回路2。本实用新型具有结构简单，操作直观简便、实验结果更准确、更有助于学生科学探究两平行导线间相互作用力特点等优点。

Description

一种探究两平行通电导线间相互作用力的演示实验仪

技术领域

本实用新型涉及一种实验装置，特别涉及一种探究两平行通电导线间相互作用力的演示实验仪。

背景技术

一般情况下，任意两个电流元之间的相互作用力是大小不相等，方向也不相反，且不在同一直线上的，因此，不符合牛顿第三定律。但是，两平行电流元间的相互作用力则具有等值、反向、共线的特点，满足牛顿第三定律。若两电流元为正平行，相互作用力使它们彼此吸引；若两电流元为反平行，则相互作用力使它们彼此排斥。

两无限长平行通电导线间相互作用力的大小为：

式(1)中，μ₀＝4π×10^-7(T.m/A)＝4π×10^-7(H/m)，为真空的磁导率，I₁和I₂分别为通过两导线的电流强度，d为两导线间的距离。实际上，两导线为有限长，所以，它们之间的相互作用力的大小要比

小。假设两平行导线的间距d₁₂＝0.5mm，通过两导线的电流强度为I₁＝I₂＝5A，根据式(1)可算得它们之间的相互作用力的大小为

已经有参考文献报道：用力敏传感器或电流天平直接显示两平行通电导线相互作用力的大小；用大电流来增大两平行通电导线相互作用力的大小，从而使两平行导线之间发生相对运动，并从它们之间相对运动的方向(靠近或远离)来判断相互作用力的方向。用力敏传感器或电流天平会造成制作成本增加，同时也增大了实验的操作难度；用大电流则会增加制作电源的成本，同时增大了实验的危险性。

本实用新型，灵活巧妙地将“电子天平的测力方法”运用到探究两平行通电导线间相互作用力特点的演示实验仪制作中，设计了一种既可以探究两平行通电导线间相互用力方向的特点，又可以探究两平行通电导线间相互作用力大小的特点的演示实验仪。用第二线圈通电前、后电子天平的示数变化情况(增大或减小)，来判断两平行通电导线间相互作用力的方向；用第二线圈通电前、后电子天平的示数差值，来表征两平行通电导线间相互作用力的大小。

本实用新型，通过增加导线的长度，来增大两平行通电导线间相互作用力的大小：由式(2)可知，两根单根的平行通电导线间的相互作用力太小，用实验室的电子天平根本测量不出来。所以，采用增加导线长度的方法，来增大两平行通电导线间的相互作用力，以便用实验室的电子天平测量出来。虽然采用多根导线并联的方法，可以增加导线的长度，但是，多根导线并联后，总的电流强度增大了。因此，采用多根导线串联的方法，也就是将导线绕制成线圈，流过线圈的一条边上的所有导线的电流方向都相同，电流强度均相等。此方法，既增加了导线的长度，又没有增大通过导线的电流强度。不仅可以激发学生的学习兴趣，还有助于培养学生的科学探究精神。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种探究两平行通电导线间相互作用力的演示实验仪，既可以探究两平行导线间相互作用力方向的特点：两平行导线通有相同方向的电流时相互吸引，通有相反方向的电流时相互排斥。又可以探究两平行通电导线间相互作用力大小的特点：当通过导线的电流强度和导线的长度增大时，相互作用力增大；当间距(两平行通电导线间的距离)增大时，相互作用力减小。用第二线圈通电前、后电子天平的示数变化情况(增大或减小)，来判断两平行通电导线间相互作用力的方向；用第二线圈通电前、后电子天平的示数差值，来表征两平行通电导线间相互作用力的大小。不仅可以激发学生的学习兴趣，还有助于培养学生的科学探究精神。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种探究两平行通电导线间相互作用力的演示实验仪，包括底座、第一水平仪、第一调平螺丝、竖梁、横梁、圆孔、螺母、第一线圈、圆柱棒、刻度尺、第一直流稳压电源、第一开关、支架、电子天平、第二水平仪、第二调平螺丝，载物台、第二线圈、第二直流稳压电源、第二开关和导线。

其特征在于：所述的底座的上表面设有第一水平仪和有竖梁，下面设有三个第一调平螺丝，所述的竖梁与底座固定连接，所述的竖梁的上端固定连接有横梁，所述的横梁中间设有一竖直方向的圆孔，圆孔上设有螺母；所述的电子天平的上面设有二水平仪，下面设有三个第二调平螺丝，电子天平放置在支架的上面；所述的第一线圈绕有三组不同的匝数，第一线圈上边的中间固定一朝竖直方向的圆柱棒，所述的圆柱棒上附有刻度尺，圆柱棒放置在横梁中间的圆孔中，且用螺母固定；所述的载物台放置在电子天平的上面，所述的第二线圈的下边放在支架的下面，上边放置在载物台的上面；所述的第一直流稳压电源、第一线圈和第一开关通过导线串联接成闭合回路1；所述的第二直流稳压电源、第二线圈和第二开关通过导线串联接成闭合回路2。

优选的，所述的底座上面设有水平仪，下面设有三组第一调平螺丝。

优选的，所述的第一线圈绕有三组不同的匝数，上边的中间固定一朝竖直方向的圆柱棒，

优选的，所述的圆柱棒上附有刻度尺。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型实验原理科学：利用电子天平的感量高，可以测量微小的质量变化量，精准的探测，既可以解决探究两平行通电导线间的相互作用力的方向与电流方向的关系问题：用第二线圈通电前、后电子天平的示数变化情况(增大或减小)，来判断两平行通电导线间相互作用力的方向。又可以解决探究两平行通电导线间相互作用力的大小与通过导线的电流强度、导线的长度以及导线间距之间关系的问题：用第二线圈通电前、后电子天平的示数差值，来表征两平行通电导线间相互作用力的大小。

2.本实用新型结构简单：通过改变第一直流稳压电源的电压，来改变通过第一线圈中的电流强度；通过改变第一线圈的匝数来改变导线的长度；通过上下移动第一线圈的位置来改变两平行导线的间距。

3.本实用新型制作成本低：用增加导线长度但又不增大通过导线电流强度的方法，来增大两平行通电导线间的相互作用力。

附图说明

图1为本实用新型的结构图

图中：1底座、2第一水平仪、3第一调平螺丝、4竖梁、5横梁、6圆孔、7螺母、8第一线圈、9圆柱棒、10刻度尺、11第一直流稳压电源、12第一开关、13支架、14电子天平、15第二水平仪、16第二调平螺丝，17载物台、18第二线圈、19第二直流稳压电源、20第二开关和21导线。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

工作原理：

1、两导线长度的改变：保持第二线圈的匝数N₂不变(相当于第二导线的长度不变)，只改变第一线圈的匝数N₁(相当于改变第一导线的长度)，第一线圈绕有三组不同的匝数(N₁₁＝50，N₁₂＝100，N₁₃＝150)。

2、通过两导线的电流强度的改变：保持通过第二线圈的电流强度I₂不变(相当于通过第二导线的电流强度不变)，只改变通过第一线圈的电流强度I₁(相当于改变通过第一导线的电流强度)。调节第一直流稳压电源的输出电压，就可以改变通过第一线圈的电流强度I₁，其值从第一直流稳压电源的显示屏上读出。

3、两导线间距d的改变：第二线圈固定不动，上下移动第一线圈，从而改变了两线圈的间距d，相当于改变了两导线的间距。两线圈的间距d从第一线圈中间的圆柱棒上的刻度尺上读出。具体的测量方法为：先在圆孔中上下移动第一线圈上的圆柱棒，使第一线圈的下边完全靠近第二线圈的上边，既两线圈的间距d＝0，并从横梁下边读出刻度尺的读数L₁。然后，往上移动圆柱棒，使第一线圈的下边慢慢远离第二线圈的上边，再从横梁下边读出刻度尺的读数L₂，则两线圈的间距d＝|L₁-L₂|。

4、用第二线圈通电前、后电子天平的示数变化情况(增大或减小)，来判断两平行通电导线间相互作用力的方向：设第二线圈未通电时，电子天平的示数m，通电后，电子天平的读数m′。若m′＜m，则两平行导线间表现为相互吸引力，若m′＞m，则两平行导线间表现为相互排斥力。

5、用第二线圈通电前、后电子天平的示数差值，来表征两平行通电导线间相互作用力的大小：设第二线圈未通电时，电子天平的示数m，通电后，电子天平的示数m′。两平行导线间相互作用力的大小F_i＝|m′_i-m|g(g为重力加速度)。

实验方法：

1.按图安装好装置。

2.调节底座水平：调节底座上的第一调平螺丝，直到第一水平仪中的小水珠停在中央，使底座处于水平状态。

3.调节电子天平水平：调节电子天平上的第二调平螺丝，直到电子天平上的第二水平仪中的小水珠停在中央，使电子天平处于水平状态。

4、电子天平调零

①打开电子天平的电源开关，预热1～3分钟后。

②将载物台稍稍拿起来，离开电子天平。

③调零。

5、探究两平行通电导线间相互作用力方向的特点

①读出第一线圈和第二线圈未通电时，电子天平的示数m。

②使通过第一线圈的下边和第二线圈的上边(第一线圈和第二线圈靠近的一边)的电流方向相同，观察电子天平示数的变化，等电子天平的示数稳定后，读出电子天平的示数m′₁。

③使第一线圈的下边和第二线圈的上边的电流方向相反，观察电子天平示数的变化，等电子天平的示数稳定后，读出电子天平的示数m′₂

⑥实验结论：当两平行导线通有相同方向的电流时，相互吸引；通有相反方向电流时，相互排斥。

表1两平行通电导线间相互作用力的方向

6、探究两平行通电导线间相互作用力大小的特点

实验时，使第二线圈的位置固定不动；第二线圈的匝数不变(N₂＝150)；通过第二线圈的电流强度不变(I₂＝5A)；通过第一线圈的下边和第二线圈的上边(第一线圈和第二线圈靠近的一边)的电流方向相同，既第一线圈的下边和第二线圈的上边之间表现为相互吸引力。

(1)探究两平行通电导线间相互作用力的大小与通过导线的电流强度之间的关系

①读出第一线圈和第二线圈未通电时，电子天平的示数m。

②保持第一线圈的匝数不变(N₁＝150)，第一线圈和第二线圈的间距不变(d＝1.5cm)。

③调节第一直流稳压电源的输出电压，读出通过第一线圈的电流强度分别为I₁₁、I₁₂、I₁₃时，电子天平的示数m′₁、m′₂、m′₃，并计算相互作用力的大小F_i＝|m′_i-m|g。

④得出结论：当两平行通电导线的间距和导线的长度都不变时，其相互作用力的大小随着通过导线的电流强度的增大而增大。

表2两平行通电导线间相互作用力的大小与电流强度的关系

测量次数i	I<sub>1i</sub>/A	m/kg	m′<sub>i</sub>/kg	F<sub>i</sub>＝\|m′<sub>i</sub>-m\|g/N
					1	1	74.51	74.36	1.5
2	2	74.51	74.18	3.3
					3	3	74.51	74.02	4.9

(2)探究两平行通电导线间相互作用力的大小与间距之间的关系

①读出第一线圈和第二线圈未通电时，电子天平的示数m。

②保持第一线圈的匝数不变(N₁＝150)，通过第一线圈的电流强度不变(I₁＝3A)。

③上下移动圆柱棒，从刻度尺上读出第一线圈和第二线圈的间距分别为d₁、d₂、d₃时，电子天平的示数m′₁、m′₂、m′₃，并计算相互作用力的大小F_i＝|m′_i-m|g。

④得出结论：当通过两平行通电导线的电流强度和导线的长度都不变时，其相互作用力的大小随着间距的增大而减小。

表3两平行通电导线间相互作用力的大小与间距的关系

测量次数i	d<sub>i</sub>/mm	m/kg	m′<sub>i</sub>/kg	F<sub>i</sub>＝\|m′<sub>i</sub>-m\|g/N
					1	1.5	74.51	74.02	4.9
2	2.5	74.51	74.23	2.8
					3	3.5	74.51	74.34	1.7

(3)探究两平行通电导线间相互作用力的大小与导线的长度之间的关系

①读出第一线圈和第二线圈未通电时，电子天平的示数m。

②保持第一线圈和第二线圈的间距不变(d＝1.5cm)，通过第一线圈的电流强度不变(I₁＝3A)。

③改变第一线圈线的匝数，读出第一线圈的匝数分别为N₁₁、N₁₂、N₁₃时，电子天平的示数m′₁、m′₂、m′₃，并计算相互作用力的大小F_i＝|m′_i-m|g。

④得出结论：当通过两平行通电导线的电流强度和导线间距都不变时，其相互作用力的大小随着导线长度的增大而减小。

表3两平行通电导线间相互作用力的大小与导线长度的关系

测量次数i	N<sub>1i</sub>/匝	m/kg	m′<sub>i</sub>/kg	F<sub>i</sub>＝\|m′<sub>i</sub>-m\|g/N
					1	50	74.51	74.34	1.7
2	100	74.51	74.17	3.4
					3	150	74.51	74.02	4.9

本实用新型具有结构简单，用第二线圈通电前、后电子天平的示数变化情况(增大或减小)，来判断两平行通电导线间相互作用力的方向；用二线圈通电前、后电子天平的示数差值，来表征两平行通电导线间相互作用力的大小。用增加导线长度但又不增大通过导线电流强度的方法，来增大两平行通电导线间的相互作用力。不仅操作直观简便、实验结果更准确，可以激发学生的学习兴趣，培养学生的科学探究精神，更有助于学生科学探究两平行通电导线间相互作用力的特点等，可广泛运用与其有关领域。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种探究两平行通电导线间相互作用力的演示实验仪，包括底座(1)、第一水平仪(2)、第一调平螺丝(3)、竖梁(4)、横梁(5)、圆孔(6)、螺母(7)、第一线圈(8)、圆柱棒(9)、刻度尺(10)、第一直流稳压电源(11)、第一开关(12)、支架(13)、电子天平(14)、第二水平仪(15)、第二调平螺丝(16)、载物台(17)、第二线圈(18)、第二直流稳压电源(19)、第二开关(20)和导线(21)；

其特征在于：所述的底座(1)的上表面设有第一水平仪(2)和竖梁(4)，下面设有三个第一调平螺丝(3)，所述的竖梁(4)与底座(1)固定连接，所述的竖梁(4)的上端固定连接有横梁(5)，所述的横梁(5)中间设有一竖直方向的圆孔(6)，圆孔上设有螺母(7)；所述的电子天平(14)的上面设有第二水平仪(15)，下面设有三个第二调平螺丝(16)，电子天平(14)放置在支架的上面；所述的载物台(17)放置在电子天平(14)的上面；所述的第一线圈(8)绕有三组不同的匝数，上边的中间固定一朝竖直方向的圆柱棒(9)，所述的圆柱棒(9)上附有刻度尺(10)，圆柱棒(9)放置在横梁(5)中间的圆孔(6)中，且用螺母(7)固定；所述的第二线圈(18)的下边放在支架(13)的下面，上边放置在载物台(17)的上面；所述的第一直流稳压电源(11)、第一线圈(8)和第一开关(12)通过导线(21)串联接成闭合回路1；所述的第二直流稳压电源(19)、第二线圈(18)和第二开关(20)通过导线(21)串联接成闭合回路2。

2.根据权利要求1所述的探究两平行通电导线间相互作用力的演示实验仪，其特征在于：圆柱棒(9)上附有刻度尺(10)。