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        實驗磁懸浮演示器的制作

        2012-04-29 05:32:33楊榮生
        物理教學探討 2012年4期
        關鍵詞:磁懸浮

        楊榮生

        摘要:介紹了用霍爾元件制作磁懸浮演示器的原理、方法和實驗的效果。

        關鍵詞:霍爾元件;磁懸??;演示器

        中圖分類號:G633.7文獻標識碼:A文章編號:1003-6148(2012)4(S)-0055-2

        在帶領物理興趣小組開展新課標人教版高中物理選修3-1的課題:《霍爾效應》的研究過程中,為增強學生對課外活動的興趣,進一步拓展和延伸課題,筆者指引學生利用現在常用的集成化更高,適用性更強的三腳霍爾元件設計制作了一個不算復雜的電子裝置,來演示磁懸浮這種不尋常的科學現象。通過制作提高了學生動手能力增強了物理興趣,也體現了新課標的理念,反響非常好。介紹如下:

        1工作原理

        小磁柱的輕微擾動會導致空間磁場變化,霍爾元件把這個變化感應成線性電壓信號進行反饋。通過運算放大器LM324進行兩級放大,兩個470K電阻R1、R2構成的分壓電路給運放提供一個直流偏壓,使其工作在放大區(qū)并能調節(jié)靜態(tài)工作點。200K電位器R3的作用是調節(jié)霍爾元件信號的平衡位置,500K電位器R5的作用是調節(jié)控制電路的靈敏度或者說是調節(jié)前級放大倍數,防止后面的放大電路飽和。兩級運放間RC是微分控制,它可以根據小磁柱的速度來改變線圈電流的大小,讓線圈的磁場對小磁柱的控制更加穩(wěn)定。如果不加電容,就只根據小磁柱位置來改變了,穩(wěn)定性要差些。

        霍爾元件的反饋信號被兩級運放和三極管放大了很多倍,只要磁場一有擾動,就會驅動線圈電流變化讓小磁柱趨于恒定。小磁柱在空中受重力和磁力作用,當小磁柱處于某個高度時,電路使重力和磁力平衡。當小磁柱高于這個高度時,電路使線圈磁力小于重力,從而使小磁柱有下落趨勢。反之,低于這個高度,電路使線圈磁力增大,小磁柱就有上升趨勢。使得小磁柱能在一定的擾動范圍內保持平衡。

        2器材的準備

        R1、R2、R4、R6、R7、R8均為1/4W碳膜電阻,R3、R5為1/4W可調電位器;C1:1uF無極性電解電容:三極管:9013;IC:四運算放大器集成塊LM324,若手頭沒有可用其它型號代替,雙運放也行。線性霍爾元件是3503,也可以用別的型號,但必須是線性輸出的,開關型的不能用。關于霍爾元件的接法,實際連接時應該把有字的一端朝向自己。三個管腳從左到右依次為電源正極、地、信號輸出。

        被懸浮的是磁力強體積小的高強磁性釹鐵硼磁鋼小磁柱,普通磁鐵的磁性不夠不能用。為了使演示的視覺效果會更好,推薦使用球形的釹鐵硼磁鐵小磁鋼。線圈自己繞制,不必繞那么多圈,但是繞得越多越省電,磁力不會明顯提高。繞制時記住線圈的繞向并作好標記,通電時可確定其N、S極。線圈不加鐵芯防止磁飽和。做好后在線圈擋板處加一塊鋁板。

        3儀器的制作

        電路部分的元件不多,但為了提高儀器的穩(wěn)定性和電路的可靠性可以將各元器件焊接在印刷電路板上,各接點用電烙鐵焊牢。

        制作電磁線圈:找一個繞焊錫絲的塑料模。把長度為15-20米,線徑為0.2毫米的漆包線密繞在這個模上。在線圈端面前加一塊鋁片,鋁片內形成的渦流能夠使小磁鐵的懸浮更加平穩(wěn),其作用類似于電容的微分控制。線圈做好后試驗一下,接上大約5伏直流電,在小磁鐵上方1厘米處應該能把它吸上來。

        制作支架:如上圖所示,無需多說,制作好之后在底板上用膠固定好霍爾元件,使霍爾元件有字的一面朝上且平面與底板平行。

        電源采用4節(jié)5號干電池6伏供電,裝在電池夾內。開關、可調電阻器安裝在電路板上方便調節(jié)的位置,裝在一個方形的半敞開盒子里。

        4儀器的調試

        自上而下,線圈上端為N極下端為S極,小磁柱上端為N極下端為S極,線性霍爾元件3503有字的一面朝上(或者全部反之)。當線圈的電流較小時,小磁柱往下落S極靠近霍爾元件,霍爾元件輸出一高電壓經放大使線圈電流增大磁性增強,小磁柱往上吸。反之,當線圈的電流較大時,小磁柱往上升S極遠離霍爾元件,霍爾元件輸出一低電壓經放大使線圈電流減小磁性減弱,小磁柱往下落。直到小磁柱在一個合適的位置穩(wěn)定下來。

        調試時,先把R5調到最大,把小磁柱放在線圈下讓它吸住。從正到負調節(jié)R3直至小磁柱慢慢離開線圈但不落地。同時調節(jié)R5使小磁柱更加穩(wěn)定,然后邊觀察邊微調R3、R5,最終使小磁柱能穩(wěn)定懸浮在線圈下1厘米處。兩個可變電阻的阻值必須調試到合適才能懸浮且穩(wěn)定。在演示時,可以輕輕晃動裝置,用紙、塑料片等從小磁柱與線圈之間穿過,甚至用手指輕輕觸碰小磁柱,它都能保持懸浮狀態(tài),效果非常好。

        參考文獻:

        [1]全日制義務教育物理課程標準[J]物理教學探討,2002(1):4-6

        (欄目編輯王柏廬)

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