专利名称：避地磁干扰单直导线安培仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种，以避开地磁场的干扰的方法，用单根直导线，进行直线电流安培定则的实验的仪器，属中学物理实验仪器。
用单根直导线做直线电流安培定则的实验的困难，完全来自地磁场的干扰。在用单直导线做安培定则的实验中，用来显示电流的磁场的方向的小磁针(的N极)的指向，却因地磁场的干扰，往往严重偏离电流的磁场的方向，甚至跟电流的磁场方向相反。譬如，即使用10安培的大电流(教学用的蓄电池瞬时放电不宜超过3安培，J1201型低压电源不得超过6安培)、又在距直导线仅1厘米的近处，电流的磁场的磁感应强度只不过是地磁场的4倍左右。按此二磁场的磁感应强度的4与1之比，小磁针的指向，偏离电流的磁场的方向的角度，最大处竟可达15°，而且此最大值还要随距直导线的距离的增大而迅速增大。在距直导线4厘米之外，问题更加严重，地磁场比电流的磁场还强，小磁针的指向反倒远离电流的磁场的方向而偏向地磁场的方向，甚至跟电流的磁场的方向相反。有的老师自制教具，用低压大电流(如10安培)直流电源做演示实验。但由于地磁场的干扰，也只能给学生看到，尽可能靠近直导线的，电流的磁场的方向跟地磁场的方向相同和方向相反的，二个特殊位置上的小磁针的指向，却不能把，遍布在直线电流的磁场内各处的小磁针，一起展现在学生面前。避开地磁场的干扰后，只用3粒1号干电池并联，给直导线供电，小磁针就可在距直导线10厘米范围内的任何一点上，都能正确地显示出电流的磁场的方向。
本发明的目的，在于帮助学生对直线电流的磁场在空间的分布，进行空间的想象，添补中学物理仪器中的这一空缺。
至今尚无，用单直导线做安培定则实验的成品仪器。在没有实验的帮助的情况下老师只能靠口述、板书和画图来教；学生就要靠自己的空间想象力来学，但学生的空间想象力却还较差。要学生掌握并能灵活运用直线电流安培定则，困难较大。即便在老师自制教具的演示实验中，学生看到载流直导线近旁的二个特殊位置上的磁场的方向，但要学生只根据这两个特殊位置上的磁场的方向、去想象出直线电流的磁场在空间分布的情景，困难还是较大的。
本发明的内容有避开地磁场对实验的干扰的方法和装置；观察器；电流的方向标签。下面结合附图，分别对各项发明做详细描述。
图1是避开地磁场对实验的干扰的方法的示意图2是双支点小磁针的三视图；图3是双支点小磁针的组装示意图；图4是提供与地磁场同向和反向电流的装置；图5是垂面观察器的三视图和A向仰视图；图6是电流的方向标签的主视图和沿B-B线剖视图；图7是共面观察器的三视图和沿C-C线的剖视图；图8是共面观察器的主视图、俯视图和沿D-D线的剖视图。
A、避开地磁场的干扰的方法结合图1。1表示水平面；2表示地磁场的磁感线；3表示地磁倾角。避开地磁场的干扰的方法是直导线4和小磁针5的转动轴6，都保持跟地磁感线2平行。
6与2平行，地磁场对小磁针5的作用，不能产生任何转动效应。5的行为完全主宰于，方向与2垂直的磁场，而载流直导线4，恰恰在空间任何一点产生的磁场的方向，都跟地磁感线2垂直，所以小磁针5的指向，就如实显示了电流的磁场的方向。
B.避开地磁场对实验的干扰的装置。
本装置分为三部分提供与地磁场同向和反向的电流的装置；显示电流的磁场的方向的装置，即双支点小磁针；把载流直导线4和小磁针5的转动轴6，相互平行地结合在一起的装置，即观察器，关于观察器需另立专项描述。
本装置中所有零部件，除磁针外，都用非铁磁性材料制造。
a)双支点小磁针图2中的7和7′是5的一双针尖式的支点。小磁针采取双支点是为了确保，不论实验地点的地磁倾角如何，小磁针5都能在地磁感线2的垂直平面内，自由转动。
图3中8和8′是支撑7和7′的一双轴承；9是小磁针的支架；10是插头，借以把5插到需要处。
图2和图3，只是小磁针的二个示意图。实际，小磁针的长度不超过2厘米。对小磁针有个严格的要求小磁针5和其转动轴6的共同重心，必跟支点7和7′，三点共在同一几何直线上，以免重力干扰。
小磁针可安装在全透明的小薄壳里。
b)提供与地磁场同向和反向电流的装置。
结合图4。长60厘米的直导线4，用相距50厘米的弹簧夹11和11′，固定在长30厘米的12和12′的末端。12、12′和长50厘米的13，共同构成弓型架，支撑直导线4。13的一端装有横档14。14与仪器底座15，由铰链连结在一起。13和4可以铰链的销钉为轴转动。16是量角器。扭紧元宝螺母17，可将4固定成某一仰角。18是一能容3粒1号干电池并联，给直导线4供电的电源盒，盒内附有开关和能改变电流方向的电键。由18的二端各引出一导线，分别穿过小环19和19′，接到直导线4的二端，形成闭合电路。21是一锐利的针尖，用以支撑一种，中学里常备的大磁针。箭头20是地磁偏方向准线。
C.观察器观察器，原本是辅助观察电流的磁场在空间分布情况的。对载流直导线，安培定则涉及二个相对关系空间各点的位置跟直导线的位置之间的相对关系；直线电流在空间各点产生的磁场的方向跟直线电流的方向之间的相对关系。这二个相对关系，通过观察器，可观察得更确切更清晰井然有序。用观察器观察，实质上，就是用分解的方法观察。把直线电流的磁场在空间的分布，分解为，在某二种平面内的分布后，再进行观察。与此二种分解方法相应，有二种观察器。观察器都是由无色透明的塑料或有机玻璃制成。
a)垂面观察器结合图5。此观察器是由一块，边长20厘米的正方形薄板22构成。使用方法的特点是22总保持跟直导线4垂直。直导线4穿入22的中央小孔24后，被弹簧夹23夹住，22与4相互垂直地，固定在直导线4的中点。这样的观察器共有三个，其中一个固定在直导线4的中点，另外二个分别固定在4的中点的二侧5厘米处。以22的对角线的交点为圆心，在板面上作磁感线25、25′、25″等。再以此圆心为辐射中心，作射线26和26′等。27表示一群插孔，小磁针的插头10插入后，可把小磁针固定薄板22上的某处。
b)共面观察器结合图7。共面观察器系由二块矩形薄板30和30′，经32和32′，连结而成的，边长为20厘米的正方形薄板。30和30′之间有一狭缝33。直导线4放在狭缝33中，被弹簧夹31和31′夹紧，共面观察器即固定在直导线4的中段。此观察器的使用方法的特点是总保持跟直导线4，共在同一几何平面内。34表示12个矩形孔。35表示12个小豁。小磁针的插头10，横向切入小豁35中，使小磁针架9固定在矩形孔34中，小磁针5可在34中自由转动。
图8中的共面观察器，基本跟图7中的相同。所不同处是比图7中的少了6个矩形孔和6个小豁。还有，弹簧夹36与36′间的距离略大于图7中的弹簧夹31和31′间的距离。当4个弹簧夹都夹在直导线4上时，31和31′紧贴在36和36′的内侧。
这二个共面观察器都安装在直导线4的中段，形成二个相交平面，它们的交线就是直导线4。
D.电流的方向标签结合图6。箭矢28是用来标示电流的方向的标签。28可借助弹性夹29，固定在直导线4上，以标示直导线4内的电流的方向。
E.本仪器的使用方法把仪器底座15放在水平台面上，地磁偏准线20的箭头粗略地指向地理的北方向。把大磁针顶在针尖21上。在地磁场的作用下，大磁针的N极必转到地磁偏方向而驻定。以大磁针的自然指向为准，在水平台面上转动仪器底座15，至地磁偏准线20与大磁针重合。至此，直导线4在水平方向范围内的调节，已完成。
接下来，调直导线4的仰角，调到跟实验地点的地磁倾角相等，即调到直导线4跟地磁感线平行。具体调节的步骤如下若做实验的地点的地磁倾角是已知的，就简单多了。只要把直导线4的仰角调到等于该地的地磁倾角，直导线4就跟地磁感线平行了。若做实验地点的地磁倾角是从地磁场等磁倾线地图上查来的，就要麻烦些，因为此数值只精确到1°。譬如，北京在等磁倾线地图中，就放在57°线和58°线之间。若实验就是在北京做的，就要把直导线4的初仰角定为57°或定为58°，然后，再进行微调，方法如下取一片垂面观察器，安装到直导线4的中点，把一个小磁针插到观察器上。若直导线4的初仰角是57°，因其小于北京的地磁倾角，则在地磁场的作用下，小磁针5的N极必指向斜下方。然后，缓缓增大直导线4的仰角，至小磁针出现随遇平衡，直导线4的仰角即等于北京的地磁倾角，即直导线4恰与地磁感线2平行。此时，即应扭紧元宝螺母17，把直导线4的仰角固定。
至此，实验的准备工作已基本完成，接下来即可进行有关安培定则的观察了。把另外二片垂面观察器也装在直导线4上，分别在第一片的两侧5厘米处。三片观察器上都插满小磁针。把电流的方向标签夹到直导线4上的适当处。接通电路，先观察直线电流的磁场内的单个小磁针的指向单独跟直线电流间的关系，再观察直线电流的磁场内的指向各异和指向相同的小磁针们所共同汇成的小磁针群在空间分布的规律跟直线电流之间的关系。改变电流方向，重复上列观察，并做比较。
为确保只用三粒干电池把实验进行到底，观察要敏捷迅速，只要各小磁针的指向一到位，立即停电。每次通电要控制在1秒钟内，越短越好。
用垂面观察器观察完毕，再换用共面观察器进行观察。
权利要求
1.一种，在用单直导线做安培定则的实验中，避开地球磁场的干扰的方法载流直导线(4)和小磁针(5)的转动轴(6)，都要跟做实验地点的地磁感线(2)保持平行。
2.一种具有二个支点(7、7′)的双支点小磁针(5)，此二支点(7、7′)是小磁针(5)的转动轴(6)的二个针尖状的端点。
3.按照权利要求2，小磁针(5)与其转动轴(6)所共有的重心和二个支点(7、7′)，三点共在同一几何直线上。
全文摘要
本发明属中学物理实验仪器。要解决的问题是在用单直导线做安培定则实验中，地磁场的干扰问题。解决的方法是避开地磁场的干扰。让直导线4和小磁针5的转动轴6，都跟地磁感线2平行。实现此方法的装置架起与地磁感线平行的载流直导线4的装置；显示直线电流的磁场方向的双支点7和7的小磁针5；把直导线4和小磁针的转动轴6平行地结合在一起的观察器。观察器的用途供观察直导线与空间某点的相对位置关系和直线电流在空间某点产生的磁场与直线电流的相对方向关系。通过观察器，不但可更确切地观察到此二相对关系，而且可观察到直线电流的磁场在空间分布的情景。
文档编号G09B23/18GK1462987SQ031098
公开日2003年12月24日 申请日期2003年4月14日 优先权日2003年4月14日
发明者许鸿滨 申请人:许鸿滨