《大学物理实验-电磁感应与磁悬浮讲义-2012》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理实验-电磁感应与磁悬浮讲义-2012（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电磁感应与磁悬浮磁悬浮是一系列技术的通称，它包括借助磁力的方法悬浮、导引、驱动和控制等。磁悬浮的主要方式分为电磁吸引悬浮EMS，永磁斥力悬浮PRS，感应斥力悬浮EDS，其基本原理源于电磁感应。本实验要求学生用电磁感应的基本定律，研究导体在磁场中运动而导致的磁悬浮力、磁牵引力等磁悬浮现象的规律性，通过数据拟合给出经验公式，并学会灵活运用电磁感应定律进行磁悬浮的各种应用设计。【预备问题】1. 产生电磁感应的条件是什么？产生磁悬浮现象的机理是什么？2. 产生磁悬浮的主要方式有那几种？各有什么特点？3. 本实验中利用的是稳恒磁场还是交变磁场？是均匀磁场还是非均匀磁场？4. 本实验采用什么方法测量磁悬浮
2、力和牵引力的？若要提高测量精度应如何改进？5. 本实验采用什么方法测量轴承转速？若要提高测量转速的稳定性应如何改进实验装置？6. 铝盘转速与磁悬浮和磁牵引力有什么关系？【引言】1831年，英国科学家法拉第从实验中发现，当通过一闭合回路所包围的磁通量（磁感应强度B的通量）发生变化时，回路中就产生电流，这种电流称之为感应电流。法拉第在1831年11月24日向英国皇家学院报告了电磁学的实验研究的结果，他将电磁感应的条件概括为：变化的电流；变化的磁场；运动的稳恒电流； 运动的磁铁；在磁场中运动的导体。电磁感应定律的发现，无论在科学和技术上都具有划时代的意义，电磁感应定律使人类找到机械能与电能之间的转换
3、方法，为生产部门和各行各业广泛的使用电力创造了条件，大大地促进了生产力的发展和人类文明的进程，开创了电气新时代的新纪元。目前磁悬浮技术的大规模应用主要集中在磁悬浮列车和磁悬浮轴承上。第一个提出磁悬浮列车的是美国布鲁克林国家实验室的两位青年物理学家James R. Powell 和 Gordon Danby 。他们设想了一种有超导磁铁感应线圈悬浮的每小时480公里的火车，而德国人海尔曼率先获得开发磁悬浮列车的专利。于是磁悬浮列车首先在德国，随后在日本进行了更深入的研究。由于磁悬浮列车在运行时是悬浮在磁轨上，只要象飞机一样克服空气阻力就可以前进，而不像火车或汽车那样还需要克服铁轨或地面的阻力。所以
4、，磁悬浮列车的速度可与飞机相比，同时，它不但无噪音，还可大大地节约能源，安全性比飞机还优越。磁悬浮列车的诸多优点，将使地面交通发生巨大的变革。许多发达国家正在竞相开发磁悬浮列车技术，上海于2002年建成我国第一条磁悬浮示范运营线。最近美国宇航局正在研制磁悬浮发射航天器，马歇尔宇航中心的发射部经理谢里布希曼说:“与火箭相比，磁悬浮用电费用简直便宜的惊人。同时即安全又符合环保的要求”。另外，磁悬浮技术在国防、材料制备、机电工业等各个领域中均有极其重要的应用价值。楞次定律：闭合回路中的感应电流方向，总是企图使感应电流本身所产生的通过回路面积的磁通量，去反抗引起感应电流的磁通量的改变。或者说感应电流产
5、生的磁场总是阻碍原来的磁场的变化。法拉第电磁感应定律：不论任何原因使通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与此通量对时间的变化率成正比， 即 （5.2.1）式中负号，表明了感应电动势的方向，k为比例系数，其值决定于式中各物理量所用的单位。如果使用国际单位制，则k=1。如果感应回路是N匝串联，那么在磁通量的变化时，每匝线圈都将产生感应电动势，若每匝中通过的磁通量相同，则有 （5.2.2）习惯上把Nf 称为线圈的磁通量匝数。对本实验装置，在金属铝盘与永磁体做相对运动时，产生的“磁悬浮力”和“磁牵引力”可以理解为与通过铝盘单位面积内磁通量的大小有关。请查阅相关资料和文献写出实验原理和
6、实验方案。【实验仪器】 图1 实验装置本实验的基本装置由电磁感应与磁悬浮综合实验仪、力传感器，光电传感器，步进电机、步进电机控制器、铝盘、磁悬浮测试底座和传感器支架、带有小辐轮和永磁体的轴承等组成。如下图所示：为了保证实验的精度，本实验采用步进电机，步进电机可以将电脉冲转化为角位移，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角），在非超载的情况下，电机的转速不受负载变化的影响。 本实验中，我们可以用步进电机控制器来控制脉冲频率，进而控制电机的转速。具体操作方法如下：图2 步进电机控制器面板1. 打开控制器电源开关，按一下按键，进入到自动状态，这时au
7、to灯亮，数码管显示SP 20000，这里20000即为脉冲频率。2. 按一下按键，电机即按照当前设置速度开始运转；3. 按一下按键，电机即停止运转；4. 可由减小脉冲频率，实现减速，加大脉冲频率，实现加速，加减步长为999，调整范围为2000032000 。电机转速（角速度）与频率的换算关系为：其中f 为脉冲频率。图3传感器支架，箭头方向为传感器可以测量的力的方向。步进电机安装在金属底座上，并与铝盘相连。底座上还安装有一个传感器支架，可以用来固定磁铁，同时支架上的传感器可以用来测量磁铁的受力情况，力的大小可从数显窗口上直接读出。支架上的标签所画箭头方向为传感器可以测量的力的方向，因为悬浮力与
8、牵引力方向不同，因此测量时需要注意传感器和永磁体的装配位置。【实验程序】一、 磁牵引力的测量1. 移去带有小辐轮和永磁体的轴承。2. 装配磁悬浮测试架，调节底座的水平。根据实验装置的结构，先思考一下力传感器和永磁体应如何装配？再将力传感器和永磁体安装到立柱上，并锁紧螺丝。永磁体与铝盘的距离可用两层标准垫片（实验室提供）来调节，同时思考一下永磁体的摆放位置。装配好后检查永磁体与铝盘是否接触，避免高速旋转后磁铁飞出造成意外伤害。3. 在铝盘静止状态按磁力数显窗口旁的SET键和REF键，使磁力显示归零。4. 从最小频率开始，逐级加大脉冲频率，到最大频率为止，测量铝盘不同转速对应磁牵引力的大小，每个频
9、率测量三组数据（可以暂停后重新旋转再测量下一组数据），并记录数据。二、磁悬浮力的测量磁悬浮力测量与测量磁牵引力的步骤类似，但要根据磁悬浮力的方向重新装配力传感器和永磁体。从最小频率开始，到最大频率为止，测量铝盘不同转速对应磁悬浮力的大小，每个频率测量三组数据，并记录数据。三、 设计并测量磁悬浮传动系统1. 移去传感器支架，2. 利用带有小辐轮和永磁体的轴承，参考上述基本实验程序，设计磁悬浮传动系统，将轴承装配在立柱合适的位置上，要注意避免意外伤害！3. 从最小频率开始，到最大频率为止，测量铝盘不同转速对轴承转速的影响，轴承转速可由转速窗口读出，每个频率测量六组数据，并记录下来。这一部分实验要求
10、思考一下如何使轴承转速读数更稳定？根据你的想法改进到最好的效果再进行测量，同时将你发现的有效的改进措施记录在实验记录纸上。四、（选作）利用标准塑料垫片改变磁铁和铝盘的距离，分析磁牵引力与悬浮力随距离的变化规律。【注意事项】1. 在安装力传感器和永磁体时，要注意检查磁体与铝盘是否有摩擦，如有摩擦则在铝盘高速旋转时可能导致永磁体飞出，造成伤人事故！2. 为了防止在铝盘高速转动时的震动导致传感器和永磁体随支持杆下滑，导致永磁体飞出，立柱上的固定螺丝一定要拧紧！【数据和结果分析】1. 用多项式拟合不同转速与磁牵引力的依赖关系，确定其函数形式和相关系数。2. 用多项式拟合不同转速与磁悬浮力的依赖关系，确
11、定其函数形式和相关系数。3. 用数学公式进行拟合铝盘不同转速对轴承转速的依赖关系，确定其函数形式和相关系数，计算其传动比。4. 拟合磁悬浮力随距离改变的变化规律。【拓展问题】1. 定量研究永磁体与运动导体之间距离的改变，对电磁相互作用力（包括磁悬浮力和磁牵引力）的影响，找出其规律性，给出经验公式。2. 查阅相关文献和资料，或阅读法拉第有关电磁学的实验研究的原文（见中心网站），请根据磁悬浮原理，设计一种简易的磁悬浮轴承、或磁悬浮转向架、或磁悬浮隔振系统，给出详细的设计方案和技术分析，鼓励在课内外进行实验研究。3. 利用磁牵引力效应，设计一种简易的电磁制动器、或感应电动机、或转速计、或磁力搅拌器等
12、，给出详细的设计方案和技术分析，鼓励在课内外进行实验研究。4. 自选相关研究课题，给出研究方案，进行实验探索。【参考资料】1 费恩曼、莱顿、桑兹，费恩曼物理学讲义（第二卷），上海科学技术出版社2 赵凯华，陈熙谋，电磁学（下册中第五章、第六章、第九章）.北京：高等教育出版社，19853 田晓岑、张萍，磁悬浮列车原理简介，大学物理，2000.84 连级三，磁浮列车原理及技术特征，电力机车技术，2001.75 单磁浮转向架的试验研究，伊力明、谢云德等，机车电传动，1995.66 EMS型磁浮列车悬浮力分析，胡基士，西南交通大学学报，2001.27 电磁型（EMS）磁悬浮列车系统铅垂方向的建模与仿真，谢云德、常文森，铁道学报，1996.8
