[发明专利]Y型磁针

说明书

本发明涉及物理教学的一种仪器，用于演示奥斯特实验和验证毕奥-萨伐尔定律。

一百七十多年前闻世的奥斯特实验装置中，用我国古代发明的指南针作电流磁场的显示仪器。由于这种指南针的磁针自由面为水平面。长度为L的磁针到实验电I₁距离为r_h（令r_h＝ (L)/2 ）时，实验的数学表达式为：

(Sin²α+1)·tgα= (μI₁)/(π·B_TL) (1)

式中：μ为空气导磁率（μ＝μ₀＝12.57×10^-7特斯拉·米·安培^-1）;B_T为地磁场感应强度（B_T＝0.5×10^-4特斯拉）;α为磁针由南北静止开始转的锐角。当顾及演示实验效果能为学生大众清晰可见的直观需要，取L＝10^-1米（r_H＝ (L)/2 ），α＝30°。则：

由（1）→I₁= ((sin²30+1)tg30°×3.14×0.5×10^-4×10^-1)/(12.57×10^-7) =9.02(A)

理论和实践都表明：这种实验电流是普通低压实验电源无法安全提供的。因此，一百七十多年来，奥斯特实验一直未能面向学生大众演示。

本发明的磁针自由面为竖直平面，经方位调整，应用力矩平衡原理，克服了地磁场通过磁针长度对实验直观效果的制约作用，因而能选用长磁针在小电流条件下，面向学生大众演示奥斯特实验和验证毕奥-萨伐尔定律。

本发明的效果是这样达到的：

如附图〔1〕所示：轴o₁o₂过衡器W和长10～12cm均匀钢条的重心，用螺母Q固定成针体，承放在支架及底座的水平轴轨道上;调整平衡器两臂间夹角，使针体重心略向钢条一端偏移（△L），恰能维持竖直静止;使钢条磁化，上端为N极。

调整底座方位，使磁针竖直自由与地磁场⊥，则地磁场对磁针的作用力矩与轴因此而受的反作用力矩平衡;地磁场感应强度（B_T）在磁针自由面上分量B_T·sin0°＝0，对磁针在该面上的作用效果为零。因而这时磁针由于针体重心略向S极偏移，产生重力矩作用，维持N极向上的竖直静止状态（不计摩擦）。

将处于竖直静止状态磁针底座在水平面上转过一方位角β，则地磁场感应强度（B_T）在自由面上有分量B_T·Sinβ作用与磁针，克服由于重心略有偏移而产生重力矩的阻碍（用M_G表示其最大值），使磁针能由竖直静止开始转过最大锐角α_m·则这时B_T·sinβ对磁针的作用效果与M_G·sinα_m平衡等效，进而推理得M_G与B_T·sinβ/sinα_m平衡、等效。

因此，本发明经方位调整后用于演示奥斯特实验和验证毕奥-萨伐尔定律时（取磁针长L＝10^-1米，磁针到实验电流（I₂）距离为r_H（r_H＝ (L)/2 ），直观效果的数学表达式为：

(sin²+1）·sinα·tgα= (μI₂)/(π·B_T·sinβ/sinα_m·L) (2)

当（1）、（2）表达的实验直观性相等，则：

（1）/（2）→I₁/I₂＝sinα_m/sinβ·sinα （3）

由于本发明中采取了减小针体质（m＝10^-2千克）和重心偏移（△L＝2×10^-3米），所以M_G＝mg·△L量值很小，因而（3）中β很小，而α_m较大，经模拟测定得β＝10°，α_m＝80°。则：（α＝30°）。