演示磁懸浮實驗裝置的制作

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：通過本裝置可以對磁場性能、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)系進行演示和探究.在課堂教學(xué)、課程設(shè)計等場合, 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.本實驗裝置學(xué)生可自己動手制作.

關(guān)鍵詞：交流感應(yīng)磁懸浮演示裝置

作者簡介：①唐亞明 (1958-)，男，高級實驗師，主要從事物理實驗教學(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)生認識、掌握這方面的知識，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)勵磁線圈中通入交變電流時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，處在交變磁場中的非磁性金屬導(dǎo)體中會有感應(yīng)電流產(chǎn)生，非磁性金屬導(dǎo)體中的感應(yīng)電流與勵磁線圈中交變電流產(chǎn)生的交變磁場相互作用，會使非磁性金屬導(dǎo)體和勵磁線圈之間產(chǎn)生感應(yīng)斥力.當(dāng)非磁性金屬導(dǎo)體位于勵磁線圈上方一定高度時，通過選擇合適的參數(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磁線圈端部不同的長度，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)軌做軸向的運動.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)交流勵磁線圈產(chǎn)生的磁場有效地穿過非磁性金屬環(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磁懸浮演示實驗裝置可觀測的內(nèi)容

(1)非磁性金屬環(huán)感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流相位差的測量實驗

如圖4所示為非磁性金屬環(huán)感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流相位差測量實驗的原理圖.勵磁線圈的上端有一開口的金屬環(huán)，開口金屬環(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)電流對開口金屬環(huán)中感應(yīng)電動勢的相位產(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　相位差測量原理圖

由分析可知，輔助線圈的感應(yīng)電動勢與非磁性金屬環(huán)中的感應(yīng)電流是同相位的，因此通過示波器檢測開口金屬環(huán)感應(yīng)電動勢和輔助線圈感應(yīng)電動勢之間的相位差，即可求得閉合非磁性金屬環(huán)感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的相位差.實驗中采用兩種不同軸向長度的鋁環(huán)進行演示，示波器顯示圖像如圖5所示.

從相位差實驗結(jié)果可以看出，隨著鋁環(huán)軸向長度的增加，非磁性金屬環(huán)感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流之間的相位差也會增大，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度條件下，紫銅環(huán)感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流之間的相位差大于鋁環(huán)感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流之間的相位差.分析和觀測非磁性金屬環(huán)感應(yīng)電動勢和感應(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)電動勢和感應(yīng)電流相位差測量圖

(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

將實驗裝置倒置，利用可調(diào)節(jié)高度的支架支撐勵磁線圈，通過調(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高度，非磁性金屬環(huán)處于勵磁線圈的下方，通過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)勵磁線圈中通入交變電流時，非磁性金屬環(huán)將受到豎直向下的感應(yīng)斥力，感應(yīng)斥力通過非金屬圓管可以傳遞至電子天平上，將通過電子天平測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.

為了使實驗結(jié)果更加鮮明準(zhǔn)確，在實驗測量的過程中，應(yīng)該使電子天平處于水平面上；非金屬圓管盡量足夠長，以避免勵磁磁場對電子天平的讀數(shù)產(chǎn)生干擾；在實驗過程中非金屬圓管的內(nèi)壁應(yīng)該避免和鐵芯有接觸.

圖6　測力裝置圖

在演示非磁性金屬環(huán)受到的力與勵磁線圈電流之間的關(guān)系實驗中，將勵磁線圈的兩端和可調(diào)變壓器相連接，電源的頻率為50 Hz，通過調(diào)節(jié)勵磁線圈兩端電壓，可以改變勵磁線圈中的電流.本實驗使非磁性金屬環(huán)與勵磁線圈端蓋間的距離h保持為15 mm.鋁環(huán)受到的感應(yīng)懸浮力的實驗測量值隨勵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)強度逐漸趨近于鐵芯的磁飽和強度，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)懸浮力與軸向長度之間關(guān)系和非磁性金屬環(huán)懸浮高度與勵磁線圈電流之間關(guān)系等內(nèi)容的演示.

3小結(jié)

(1)本實驗裝置利用實驗室的條件，實現(xiàn)了交流感應(yīng)磁懸浮理論課堂的直觀顯示.結(jié)構(gòu)緊湊簡單，測量簡潔快速，操作方便，現(xiàn)象明顯，精度較高.

(2)對該交流感應(yīng)磁懸浮裝置的磁場性能、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)系進行了實驗演示.

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

(4)本裝置制作和測試內(nèi)容，作為大二學(xué)生的設(shè)計研究性物理實驗開設(shè)，反映良好，學(xué)生都高興做這樣的實驗.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.

參 考 文 獻

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

4徐曉美,朱思洪.磁懸浮技術(shù)及其工程應(yīng)用.農(nóng)機化研究,2005(6)：192~194

5焦其祥.電磁場與電磁波.北京：科學(xué)出版社,2010

6梁燦彬,秦光戎,梁竹健.電磁學(xué).北京：高等教育出版社,1980

7葛松華.通以交變電流的長直螺線和內(nèi)部磁場和電場的分布.物理與工程,2003(6)：6～8

8譚祖根,汪樂宇.電渦流檢測技術(shù).北京：原子能出版社,1986