演示磁懸浮實(shí)驗(yàn)裝置的制作

唐亞明①楊清雷

(青島科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院山東 青島266042)

摘 要：通過(guò)本裝置可以對(duì)磁場(chǎng)性能、非磁性金屬環(huán)的受力及非磁性金屬環(huán)中的感應(yīng)電流等因素關(guān)系進(jìn)行演示和探究.在課堂教學(xué)、課程設(shè)計(jì)等場(chǎng)合, 直觀顯示交流感應(yīng)磁懸浮各種技術(shù)現(xiàn)象和應(yīng)用，有著良好的教學(xué)效果.本實(shí)驗(yàn)裝置學(xué)生可自己動(dòng)手制作.

關(guān)鍵詞：交流感應(yīng)磁懸浮演示裝置

作者簡(jiǎn)介：①唐亞明 (1958-)，男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究.

收稿日期：(2015-04-23)

磁懸浮是一種非常有趣的物理現(xiàn)象，有著廣泛的應(yīng)用前景.自制一款這樣的演示裝置，可以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)、掌握這方面的知識(shí)，激發(fā)他們的應(yīng)用熱情，訓(xùn)練創(chuàng)作能力.

1磁懸浮演示裝置的基本組成和工作原理

我們所做的磁懸浮演示裝置是基于交流感應(yīng)原理.它的組成主要包括勵(lì)磁線圈、鐵芯、非磁性金屬導(dǎo)體、交流電源，其工作原理如圖1所示.

圖1　交流感應(yīng)磁懸浮技術(shù)工作原理圖

當(dāng)勵(lì)磁線圈中通入交變電流時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，處在交變磁場(chǎng)中的非磁性金屬導(dǎo)體中會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，非磁性金屬導(dǎo)體中的感應(yīng)電流與勵(lì)磁線圈中交變電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)相互作用，會(huì)使非磁性金屬導(dǎo)體和勵(lì)磁線圈之間產(chǎn)生感應(yīng)斥力.當(dāng)非磁性金屬導(dǎo)體位于勵(lì)磁線圈上方一定高度時(shí)，通過(guò)選擇合適的參數(shù)條件，可以使非磁性金屬導(dǎo)體受到的感應(yīng)斥力等于其自身的重力，從而可以使非磁性金屬導(dǎo)體受到豎直方向的感應(yīng)懸浮力而穩(wěn)定地懸浮在一定高度.

交流感應(yīng)磁懸浮演示裝置的三維結(jié)構(gòu)如圖2所示，二維結(jié)構(gòu)圖如圖3所示.

圖2　交流感應(yīng)磁懸浮裝置三維結(jié)構(gòu)圖

圖3　交流感應(yīng)磁懸浮裝置二維結(jié)構(gòu)圖

底座、底座端蓋和線圈骨架所用的材料為聚四氟乙烯.鐵芯選用圓柱形的軟磁材料，鐵芯的上下兩端分別延伸出勵(lì)磁線圈端部不同的長(zhǎng)度，鐵芯下端延伸出的部分與底座之間相配合可以使鐵芯得以固定.非磁性金屬導(dǎo)體選用可以套在軟磁鐵芯上的金屬環(huán)進(jìn)行研究，因此鐵芯上端延伸出的部分可以使非磁性金屬環(huán)在感應(yīng)懸浮力的作用下以鐵芯為導(dǎo)軌做軸向的運(yùn)動(dòng).由于鐵芯的導(dǎo)磁性能很好，因此非磁性金屬環(huán)套在鐵芯上還可以很好地引導(dǎo)交流勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)有效地穿過(guò)非磁性金屬環(huán)，從而可以提高非磁性金屬環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，使非磁性金屬環(huán)受到的感應(yīng)懸浮力更大.

2磁懸浮演示實(shí)驗(yàn)裝置可觀測(cè)的內(nèi)容

(1)非磁性金屬環(huán)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流相位差的測(cè)量實(shí)驗(yàn)

如圖4所示為非磁性金屬環(huán)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流相位差測(cè)量實(shí)驗(yàn)的原理圖.勵(lì)磁線圈的上端有一開(kāi)口的金屬環(huán)，開(kāi)口金屬環(huán)的切口兩側(cè)分別引出一條導(dǎo)線，導(dǎo)線的另一端分別與示波器相連接.在開(kāi)口金屬環(huán)上端一定的高度有一閉合非磁性金屬環(huán)，使開(kāi)口金屬環(huán)和閉合非磁性金屬環(huán)之間的距離盡可能大(開(kāi)口金屬環(huán)和閉合非磁性金屬環(huán)都是鋁質(zhì)材料)，以避免閉合非磁性金屬環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流對(duì)開(kāi)口金屬環(huán)中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位產(chǎn)生影響.在閉合非磁性金屬環(huán)的外側(cè)纏繞一定匝數(shù)的輔助線圈，輔助線圈的兩端與示波器相連接.

圖4　相位差測(cè)量原理圖

由分析可知，輔助線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與非磁性金屬環(huán)中的感應(yīng)電流是同相位的，因此通過(guò)示波器檢測(cè)開(kāi)口金屬環(huán)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和輔助線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間的相位差，即可求得閉合非磁性金屬環(huán)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流的相位差.實(shí)驗(yàn)中采用兩種不同軸向長(zhǎng)度的鋁環(huán)進(jìn)行演示，示波器顯示圖像如圖5所示.

從相位差實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著鋁環(huán)軸向長(zhǎng)度的增加，非磁性金屬環(huán)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流之間的相位差也會(huì)增大，若鋁環(huán)換成紫銅環(huán)的話，有上述相同的現(xiàn)象.只是在相同的軸向長(zhǎng)度條件下，紫銅環(huán)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流之間的相位差大于鋁環(huán)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流之間的相位差.分析和觀測(cè)非磁性金屬環(huán)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流之間的相位差，據(jù)此確定非磁性金屬環(huán)受到的感應(yīng)斥力性質(zhì)，決定其是否穩(wěn)定的懸浮.

圖5　鋁環(huán)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流相位差測(cè)量圖

(2)非磁性金屬環(huán)受到的感應(yīng)懸浮力與線圈電流之間的關(guān)系

將實(shí)驗(yàn)裝置倒置，利用可調(diào)節(jié)高度的支架支撐勵(lì)磁線圈，通過(guò)調(diào)節(jié)支架側(cè)面的螺釘可以調(diào)節(jié)支架上部與地面之間的相對(duì)高度，非磁性金屬環(huán)處于勵(lì)磁線圈的下方，通過(guò)放在電子天平上的非金屬圓管將非磁性金屬環(huán)支撐在一定的高度.當(dāng)勵(lì)磁線圈中通入交變電流時(shí)，非磁性金屬環(huán)將受到豎直向下的感應(yīng)斥力，感應(yīng)斥力通過(guò)非金屬圓管可以傳遞至電子天平上，將通過(guò)電子天平測(cè)量得到的力減去非磁性金屬環(huán)和非金屬圓管兩者的重力，即可求得非磁性金屬環(huán)受到的感應(yīng)懸浮力F.

F=F′-G1-G2

式中F為非磁性金屬環(huán)受到的感應(yīng)懸浮力，F(xiàn)′電子天平測(cè)得的力，G1為非磁性金屬環(huán)的重力，G2為非金屬圓管的重力.

為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加鮮明準(zhǔn)確，在實(shí)驗(yàn)測(cè)量的過(guò)程中，應(yīng)該使電子天平處于水平面上；非金屬圓管盡量足夠長(zhǎng)，以避免勵(lì)磁磁場(chǎng)對(duì)電子天平的讀數(shù)產(chǎn)生干擾；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中非金屬圓管的內(nèi)壁應(yīng)該避免和鐵芯有接觸.

圖6　測(cè)力裝置圖

在演示非磁性金屬環(huán)受到的力與勵(lì)磁線圈電流之間的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，將勵(lì)磁線圈的兩端和可調(diào)變壓器相連接，電源的頻率為50 Hz，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈兩端電壓，可以改變勵(lì)磁線圈中的電流.本實(shí)驗(yàn)使非磁性金屬環(huán)與勵(lì)磁線圈端蓋間的距離h保持為15 mm.鋁環(huán)受到的感應(yīng)懸浮力的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值隨勵(lì)磁線圈電流的變化曲線如圖7所示.

圖7　非磁性金屬環(huán)受到的感應(yīng)

從圖中可以看出，隨著勵(lì)磁線圈中電流的增大，鋁環(huán)受到的感應(yīng)懸浮力也增大.由于鐵芯材料磁化的非線性因素以及隨著電流的增大，鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸趨近于鐵芯的磁飽和強(qiáng)度，因此非磁性金屬環(huán)受到感應(yīng)懸浮力增大的速率先增大后減小.

本演示裝置還可以進(jìn)行非磁性金屬環(huán)受到的感應(yīng)懸浮力與電流頻率之間關(guān)系、非磁性金屬環(huán)受到的感應(yīng)懸浮力與軸向長(zhǎng)度之間關(guān)系和非磁性金屬環(huán)懸浮高度與勵(lì)磁線圈電流之間關(guān)系等內(nèi)容的演示.

3小結(jié)

(1)本實(shí)驗(yàn)裝置利用實(shí)驗(yàn)室的條件，實(shí)現(xiàn)了交流感應(yīng)磁懸浮理論課堂的直觀顯示.結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，測(cè)量簡(jiǎn)潔快速，操作方便，現(xiàn)象明顯，精度較高.

(2)對(duì)該交流感應(yīng)磁懸浮裝置的磁場(chǎng)性能、非磁性金屬環(huán)的受力及非磁性金屬環(huán)中的感應(yīng)電流等因素之間的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示.

(3)在圖6中，使用普通天平觀測(cè)磁浮力存在，以及磁浮力隨勵(lì)磁線圈電流變化的方法設(shè)計(jì)巧妙，設(shè)備經(jīng)濟(jì)，效果明顯.尤其是非磁性金屬環(huán)還沒(méi)有明顯浮起，就能方便顯示出磁浮力的存在.

(4)本裝置制作和測(cè)試內(nèi)容，作為大二學(xué)生的設(shè)計(jì)研究性物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)，反映良好，學(xué)生都高興做這樣的實(shí)驗(yàn).我?；W(xué)院的幾位學(xué)生攜自己制作的這套裝置，參加了2014年山東省第六屆大學(xué)生物理創(chuàng)新技能大賽，獲得了一等獎(jiǎng).

參 考 文 獻(xiàn)

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2遆宇.淺談磁懸浮列車(chē)及其發(fā)展.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2008(8)：330~332

3張士勇.磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2003(3)：63～65

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