楊清雷 劉珂 王澤華 朱國(guó)全 唐亞明

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

我們通過(guò)自制的演示實(shí)驗(yàn)裝置，直觀形象地展示電磁場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，演示了渦流效應(yīng)和基于這種效應(yīng)的一種應(yīng)用——渦流制動(dòng)．給物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了很好的效果．

1 演示實(shí)驗(yàn)裝置的基本組成和工作原理

本演示實(shí)驗(yàn)裝置由直流電磁鐵、交流電磁鐵、交(直)流可調(diào)電源、調(diào)速電機(jī)、霍爾測(cè)速組件、支(托)架等組成．演示實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示．

圖1 演示渦流制動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

交(直)流可調(diào)電源分別給直流電磁鐵、交流電磁鐵提供電流，建立各自相應(yīng)的磁場(chǎng)，作用在旋轉(zhuǎn)的鋁盤上；直流調(diào)速電機(jī)通過(guò)改變加在它上面的電壓，來(lái)實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)速的改變，從而帶動(dòng)鋁盤在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)；霍爾測(cè)速組件由鋁盤邊沿粘貼的小磁鋼、集成開關(guān)型霍爾元件、轉(zhuǎn)速表組成．支架上固定安放的集成開關(guān)型霍爾元件，通過(guò)數(shù)據(jù)線連到轉(zhuǎn)速表上，對(duì)鋁盤的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)觀測(cè)．圖2為演示渦流制動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖．

圖2 演示渦流制動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

本演示實(shí)驗(yàn)裝置，可以研究外加直流(或交流)磁場(chǎng)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩、圓盤轉(zhuǎn)速以及制動(dòng)時(shí)間的關(guān)系，從而展示渦流在制動(dòng)方面的作用．該裝置能夠測(cè)量、顯示電機(jī)的輸入電壓、電機(jī)的電樞電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度等物理量．下面，以只外加直流磁場(chǎng)為例，對(duì)本裝置演示內(nèi)容加以說(shuō)明和討論．

渦流制動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)裝置的原理如圖3所示, 其主要部件是固定在轉(zhuǎn)子上并與之同步旋轉(zhuǎn)的鋁圓盤和固定在支架上的電磁鐵．當(dāng)電磁鐵靠近轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁圓盤時(shí), 它產(chǎn)生的磁場(chǎng)使鋁圓盤的表面產(chǎn)生渦流．由于這種渦流產(chǎn)生的阻磁場(chǎng)的影響, 在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的反方向上作用了洛倫茲力，導(dǎo)體中的電流在磁場(chǎng)中受到力的作用阻止導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)．此外, 導(dǎo)體中的電流產(chǎn)生熱功率．根據(jù)能量守恒定律, 阻止導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的功率與電流的熱功率相等, 熱功率所做的功使鋁圓盤的動(dòng)能減少, 也起到了制動(dòng)的效果．

圖3 制動(dòng)力產(chǎn)生原理圖

2 渦流制動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)裝置可觀測(cè)的內(nèi)容

(1)研究和觀測(cè)電磁鐵的勵(lì)磁電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系

為了安裝和測(cè)量方便, 我們把高斯計(jì)傳感測(cè)試頭緊貼在鋁盤的端面上．本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的磁場(chǎng)均為鋁盤端面處的磁場(chǎng)．在鋁盤靜止時(shí)，改變電磁鐵的勵(lì)磁電流I勵(lì)磁，測(cè)量鋁盤端面處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，得到對(duì)應(yīng)的B-I勵(lì)磁曲線，如圖4所示．

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁鐵勵(lì)磁電流間的關(guān)系曲線

從圖4可以看出，電磁鐵的勵(lì)磁電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比．因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)其勵(lì)磁電流來(lái)改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的大?。蓤D2所示演示實(shí)驗(yàn)裝置可以看到，直流電磁鐵(或交流電磁鐵)通過(guò)它們的支(托)架，能方便地調(diào)節(jié)鋁盤與電磁鐵間的氣隙，也能改變加在鋁盤表面的磁場(chǎng)大小．

(2)研究和觀測(cè)電磁鐵機(jī)構(gòu)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與制動(dòng)盤制動(dòng)力關(guān)系

保持電機(jī)所加電壓為15 V不變，鋁盤與電磁鐵之間的氣隙分別調(diào)整為3 mm，6 mm，9 mm, 磁感應(yīng)強(qiáng)度從0 ～ 28.0 mT變化時(shí)，測(cè)取電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)電樞電流，得到對(duì)應(yīng)的I電樞-B關(guān)系曲線，如圖5所示．其中l(wèi)表示鋁盤與電磁鐵間的氣隙．

圖5 電樞電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線

從圖5可以看出，電機(jī)帶動(dòng)鋁圓盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，在電機(jī)所加電壓不變的情況下，將電磁鐵靠近轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁圓盤，電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)使圓盤的表面產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的阻磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤的反方向上產(chǎn)生了洛倫茲力，這個(gè)反作用力對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤起到制動(dòng)作用，反映到電機(jī)上表現(xiàn)出來(lái)的狀況是電機(jī)負(fù)載加大，即電樞電流增大．

圖5中I電樞-B關(guān)系曲線表明，當(dāng)鋁盤與電磁鐵之間的氣隙固定在某一位置時(shí)，制動(dòng)盤所受的制動(dòng)力都隨電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而增大；在同一磁感應(yīng)強(qiáng)度條件下，制動(dòng)盤所受的制動(dòng)力隨著鋁盤與電磁鐵之間的氣隙減小而增大．這也驗(yàn)證了我們的理論分析．

(3)研究和觀測(cè)制動(dòng)盤轉(zhuǎn)速與制動(dòng)力之間的關(guān)系

理想直流電機(jī)的特性是所加電樞電壓不變，則電機(jī)轉(zhuǎn)速也不隨負(fù)載變化而變化．實(shí)際在上述條件下，觀測(cè)可得圖6，可以看出，實(shí)際上隨著負(fù)載的增大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速有所下降．ω-B關(guān)系曲線也作了直觀反映，并且，鋁盤與電磁鐵之間的氣隙越小，這個(gè)現(xiàn)象就越明顯．

圖6 轉(zhuǎn)速與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線

3 制動(dòng)時(shí)間的比較

電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，突然去掉電機(jī)電壓，同時(shí)在轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤表面加上磁場(chǎng)，并改變磁場(chǎng)大小，測(cè)量圓盤從勻速轉(zhuǎn)動(dòng)到停止時(shí)所需要的時(shí)間，結(jié)果如表1所示．

表1 制動(dòng)時(shí)間的測(cè)量

從表1可以看出，加在金屬圓盤表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，制動(dòng)力越大，制動(dòng)時(shí)間越短，制動(dòng)效果也就越明顯．

4 結(jié)論

(1)裝置直觀形象地展示了電磁場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，有助于加深學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)知識(shí)的深入理解，充實(shí)了電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容．并讓學(xué)生看到渦流制動(dòng)在高速列車、汽車的緩速、制動(dòng)等場(chǎng)合具有很強(qiáng)的應(yīng)用背景．

(2)裝置設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試和實(shí)驗(yàn)演示全過(guò)程，是我校設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容．極大地吸引了學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室來(lái)動(dòng)手，鼓舞了他們創(chuàng)新的熱情．學(xué)生拿著自己制作的這套裝置，參加了2016年山東省第八屆大學(xué)生物理科技創(chuàng)新大賽，獲得了一等獎(jiǎng)．