latest update 2022/10/14

課程目標：

• Ampere's Law and Magnetic Field of a Solenoid
  - 利用電流天平測量導線上的磁力
• Faraday's Law of Electromagnetic Induction
  - 以函數產生器與示波器觀察電磁感應的現象
• LRC線路中的頻率響應 / the frequency response in a LRC circuit

實驗目的：

本實驗將觀測電流導線與螺線管中，所通過的電流與電磁力的關係。

觀察兩個線圈之間電磁感應的現象，驗證法拉第定律(Faraday's Law)。

原理：

｢電磁力｣實驗的部分，主要器材為｢電流天平｣與｢螺線管｣。｢電流天平｣可用於測量通電導線所受之磁力大小，而｢螺線管｣是用於提供一均勻、並可由電流控制的磁場。以下，針對這兩個器材的原理作一介紹。

A. 螺線管內之磁場強度B

  (1)

其中為真空中之導磁係數（）。n 為螺線管在單位長度下的線圈數。

B. 電流天平

若將電流天平之 U 字型電路部分，放置於磁場 B 之中，當通以電流 I₂ 時，此電路部分將會受到磁力 F 的作用。此磁力可利用長直導線所受之磁力關係式推算，其關係式為

    (2)

若在電流天平的另一端，添加一質量為 m 之砝碼，則可以使電流天平因砝碼的重力作用而恢復平衡。利用此平衡關係，則可測量電路部分所受之磁力大小。

｢電磁感應｣實驗的原理為｢法拉第定律｣(Faraday's Law)。在一個由環形導線所形成的截面之中，如果磁通量隨著時間變化，則此環形導線上會產生感應電動勢(EMF or Electro-motive Force)。此感應電動勢與磁通量的時間變化率成正比，其關係式為

式中之負號，為冷次定律(Lenz’s law)的結果：此感應電流(或者感應電動勢)的方向將產生一感應磁場，以抵抗產生電動勢造成之磁通量改變。

實驗項目：

A. 架設實驗裝置

B. 測量導線上的電流大小與磁力之關係

• 固定螺線管電流 I₁

• 先於置放某一質量的微量砝碼 m 於電流天平標記之｢砝碼置放區｣。
  調整通過電流天平的電流 I₂，使電流天平恢復至平衡位置。
  利用此時砝碼作用於電流天平的重力 mg，即可推算當通過 I₂ 電流時作用於導線上的磁力 F₂。

• 將 I₂ 為縱軸、F 為橫軸，把上述之結果繪製成數據關係圖。
  由此數據關係圖，研判在固定磁場中，導線上的電流 I₂ 與磁力 F 之關係。

C. 螺線管內之磁場強度 B 與電流 I₁ 的關係

• 固定電流天平之電流 I₂。

• 先於置放某一質量的微量砝碼 m 於電流天平標記之｢砝碼置放區｣。
  調整螺線管的輸入電流 I₁ ，使電流天平恢復至平衡位置。
  推算導線所受之磁力 F， 推算此時螺線管內的磁場強度 B。

• 將 I₁ 為縱軸、 F 為橫軸，把上述之結果繪製成數據關係圖。
  由此數據關係圖，研判螺線管內之磁場強度 B 與電流 I₁ 之關係。

D. 驗證法拉利定律

• 將白色、半徑較大之感應線圈視為第一線圈。
  將前述實驗中之螺線管視為第二線圈

• 將訊號產生器連接示波器之CH 1以及第一線圈。
  將第二線圈連接示波器之CH 2。

• 將訊號產生器的輸出設定為1 kHz，鋸齒波、弦波(sin wave)、方波(square wave)。

• 分別記錄CH 1、CH 2的波形。

參考資料：

• 教學影片 YouTube
• Concepts and History history
  　
• 使用手冊
  
  類比訊號產生器 GFG-8216A GwINSTEK
  
  數位示波器 TDS 1001B Tektronix