第三節 探察線圈
以探察線圈量度變化的磁場


探察線圈 (search coil) 是一種應用了電磁感應原理的儀器,常用於量度會變化的磁場大小。

所示為學校實驗室中常見的探察線圈。一端是一個匝數很多、呈扁平的細小線圈,通常具有 2000 至 5000 匝,平均截面積為 \({{10}^{-4}}\ {{\text{m}}^{2}}\);設於另一端的電線插座乃供接駁往示波器以顯示訊號。把探察線圈放置在要量度的磁場裡時,若線圈截面與磁場平行,是不會形成感生電動勢的;故此在量度時,會視乎情況使用軸向型 (axial) 或橫向型 (lateral) 的探察線圈,分別為其線圈乃垂直還是平行於手柄(見)。

量度時,若將截面積為 \(A\)、含 \(N\) 匝的探察線圈放在變化中的磁場,會在線圈兩端感應出一個電動勢,其大小為:

\(\displaystyle{\varepsilon =-N\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}=-NA\frac{\Delta B}{\Delta t}}\)

由於 \(B\) 隨時間變化,\({\Delta B}/{\Delta t}\;\) 即是某時刻的 \(B\) 隨時間變化的快慢程度,而 \({\Delta B}/{\Delta t}\;\) 往往並非一個常數。因 \(B\) 的變化率往往不定,故 \(\varepsilon \) 亦變化不定,我們可以將探察線圈接駁到示波器,以便於觀察和記錄 \(\varepsilon \)。

例如要量度一根載電長直導線外的磁場,又或者螺線管內的磁場時,分別顯示兩情況下於水平桌上的設置。由於長直導線外的磁場線是以導線為中心的同心圓,而螺線管內的磁場線則是從一端指往另一端的直線,故此:

      量度載電長直導線外的磁場(),適合使用
  • 軸向型
  • 橫向型
探察線圈;
      量度載電螺線管內部的磁場(),適合使用
  • 軸向型
  • 橫向型
探察線圈。

由於探察線圈只能測出垂直於線圈截面的磁場分量,量度時,應調整線圈手柄的方位、令示波器上顯示最大的 \(\varepsilon \)。這是為了讓線圈截面與所處位置的磁場線盡可能垂直。

安裝在細長的絕緣手柄上的探察線圈,以便於伸往不同位置去量度磁場。(a) 軸向型;(b) 橫向型
(a) 軸向型的探察線圈,線圈截面垂直於手柄;(b) 橫向型的探察線圈,線圈截面平行於手柄
(a) 軸向型的探察線圈,線圈截面垂直於手柄;(b) 橫向型的探察線圈,線圈截面平行於手柄
量度一根載電流長直導線外的磁場
量度一個載電螺線管內部的磁場
例子:量度正弦磁場


上方的 \(\varepsilon \) 表達式顯示,量度結果會取決於 \(B\) 的變化,而 \(B\) 如何隨時間變化乃視乎其產生方式;若這個要量度的磁場為正弦變化(見(a)),可表示成:

\(B\) = \({{B}_{0}}\cos 2\pi ft\)     

\({{B}_{0}}\) 與 \(f\) 分別為波的振幅和頻率。(a) 清楚顯示 \(B\) 隨時間變化不定,而這個關係圖線亦不是一條直線,即 \(B\)-\(t\) 線圖中的斜率不是一個常數。事實上,\({\Delta B}/{\Delta t}\;\) 可被視為 \(B\)-\(t\) 線圖上的瞬時變化的斜率。仔細檢視(a) 可察覺:

  • 當 \(t=0\),這刻的斜率 = 0;
  • 當 \(t=\left( n+{1}/{4}\; \right)T\),這刻的斜率為負、量值最大;
  • 當 \(t=\left( n+{1}/{2}\; \right)T\),這刻的斜率 = 0;
  • 當 \(t=\left( n+{3}/{4}\; \right)T\),這刻的斜率為正、量值最大;
  • 當 \(t=\left( n+1 \right)T\),這刻的斜率 = 0。

其中 \(n\) 是零或正整數 (0, 1, 2, 3, ‧‧‧‧‧‧)、\(T\) 代表週期。我們亦可進一步檢視以上各相鄰時刻之間的斜率,有關結果可參考。事實上,更深入分析斜率於各時距的變化可知,這個斜率隨時間的變化亦為正弦關係,為 \({\Delta B}/{\Delta t}\;\)= \(-2\pi f{{B}_{0}}\sin 2\pi ft\),有關圖線會如(b) 所示。換言之,對於正弦變化的 \(B\),\({\Delta B}/{\Delta t}\;\) 仍是正弦變化,但與 \(B\) 有 \(90{}^\circ \) 相位差。由此可寫出:\(\varepsilon \) = \({{\varepsilon }_{0}}\sin 2\pi ft\),而:

\({{\varepsilon }_{0}}=2\pi fNA{{B}_{0}}\)

在諸如的設置中,由於 \({{\varepsilon }_{0}}\) 和 \(f\) 可以從示波器顯示的圖像中讀出,而 \(N\) 和 \(A\) 是儀器的參數,藉上式便可找出要量度的磁場的振幅 \({{B}_{0}}\)。


(a) 設以探察線圈要量度的磁場為一正弦波變化;(b) \({\Delta B}/{\Delta t}\;\) 隨時間變化的關係線圖
時刻 或 時距 斜率 = 零/正/負? 斜率量值特性
\(0\) 0 -
\(0\to \tfrac{T}{4}\) 隨 \(t\) 愈來愈大
\(\left( n+\tfrac{1}{4} \right)T\) 最大值
\(\left( n+\tfrac{1}{4} \right)T\to \left( n+\tfrac{1}{2} \right)T\) 隨 \(t\) 愈來愈小
\(\left( n+\tfrac{1}{2} \right)T\) 0 -
\(\left( n+\tfrac{1}{2} \right)T\to \left( n+\tfrac{3}{4} \right)T\) 隨 \(t\) 愈來愈大
\(\left( n+\tfrac{3}{4} \right)T\) 最大值
\(\left( n+\tfrac{3}{4} \right)T\to \left( n+1 \right)T\) 隨 \(t\) 愈來愈小
\(\left( n+1 \right)T\) 0 -
\(\left( n+1 \right)T\to \left[ \left( n+1 \right)+\tfrac{1}{4} \right]T\) 隨 \(t\) 愈來愈大
(a) 所示 \(B\)-\(t\) 線圖中,於不同時刻和時距的斜率特性。\(n\) 可取 0, 1, 2, 3, ‧‧‧‧‧‧。例如 \(n\) = 0 便對應於所示的線圖
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