磁悬浮

磁悬浮系列实验 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面积的磁 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：①变化的电流；②变化的磁场；③运动的稳恒电流； ④运动的磁铁；⑤在磁场中运动的导体。电磁感应定律的发现，无论在科学核技术上都 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，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。 磁悬浮技术就是建立在电磁学的基础之上。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，基本原理是利用磁体的排斥与吸引、电磁感 应效应。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， 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。现在，许多发 达国家正在竞相开发磁悬浮列车技术，我国利用德国技术，率先于 2002年底在上海建 成世界上第一条磁浮示范运营线。 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。 实验 1 测量磁悬浮力与铝盘转速的关系 【仪器和元器件】 本实验的基本装置如图 1所示，各种附件见附录。马达、电源、“Ａ”型底座、竖直 柄、连在完全转动系统上的 10个辐条的皮带轮，质量块和架子，带架子的滑轮，一头有钕 铁硼磁体的平衡杠杆，支撑平衡杆的托架平台，滑块，转动铝盘，不锈钢撑杆，固定支架和 夹具，带有螺帽的力传感器，光电门，微机及 500型计算机接口等。 【实验要求】 1、了解电磁感应定律，观察磁悬浮现象，分析产生磁悬浮的机理。 图 2 2、了解力传感器的原理和使用方法。 3、利用实验设备定量的研究转速与磁悬浮力之间的关系。 【设计思路和】 1、了解电磁感应的基本定律 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 是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于此通量对时间的 变化率成正比， 即 dt d i k fe -= （1） 式中负号，表明了感应电动势的方向，使了楞次定律的数学表示，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 dt NdN dt d i )( f e f -=-= （2） 习惯上把 Nf 称为线圈的磁通量匝数。 对本实验装置，在金属铝盘与磁体做相对运动时，产生的“悬浮力”和“拖拽力”可以 理解为与通过铝盘单位面积内磁通量的大小（即穿过铝盘单位面积内磁力线的多少）有关。 如果金属铝盘与磁体相对运动的速度足够快时，穿越铝盘的磁通量减小，磁通量在磁体和导 体之间被压缩，产生“悬浮力”；同时，穿越导体的磁通量（单位面积内的磁力线）被运动 的导体（或运动的磁体）拉着，产生“拖拽力”。 2、实验设计方案 A） 分析仪器特性设计方案 马达驱动铝转盘转动，当输入电流不同时，转速也不同；光电门通过辅轮可以定量的记 录速度的变化。与 500型计算机接口相连的力传感器是相当灵敏的，调整力传感器的方向， 能测量不同方向的力。测得的数据通过计算机配套软件处理。 B） 组装实验装置 1、把 10辐条的皮带轮装到竖直柄上，插入“Ａ”型托架的中心孔，把铝盘放到竖直杆上， 如图 1所示。 2、把撑杆插到Ａ型底座的顶点， 把力传感器装到撑杆上边使它竖直 朝上．调节托架平台上的夹子，使 它近似离转动盘的底部和顶部的距 离相等。 3、移走杠杆上的滑块，把杠杆插 入力传感器架上的夹子里边，使磁 体朝下．旋紧翼型螺钉固定杠杆。 图 1 磁悬浮基本实验装置图 图 3 4、把滑块放到杠杆上，调整滑块的位置使杠杆平衡。固定滑块。在平衡杠杆的时候，可以 利用平台上的水平白线条．杠杆的臂可以调节到不同的长度。 5、调节磁悬浮托架的高度，使磁体刚好在铝盘的上边。 6、顺时针或者逆时针旋转铝盘时，可以看到杠杆向上抬．并且转速越大杠杆向上抬的越高。 7、平衡杠杆的臂必须平行于托架平台上的白线条，附在中心夹上的金属必须挨着力传感器 的后方．为保证力传感器的螺钉和轴夹上的杆子的正确朝向，调整传感器螺钉的长度，使轴 夹上的杆子有一个微小的力施加到它上边．然后按传感器上的ＴＡＲＥ健，使之回零。当铝 盘运动时，磁体受斥力带动平衡杠杆能偏离平台上的水平白线条，压力杆与力传感器头接触， 测量其压力的大小，此时力传感器的测量值与磁悬浮力正比。 8、在Ａ型托架装上马达，如图 2所示。 9、设置光电门在附属撑杆上．调节使门能被辐条关和开，如图 3所示。 10、将光电门和力传感器的连线与数据采集接口联结。 【实验装置的调试和测量】 1、改变铝盘的转速，观察磁悬浮力随转速改变的现象和规律。 2、接通数据采集接口的电源，开启计算机，打开 Data Studio程序（软件和接口的详细操作 步骤见数据采集接口和 Data Studio的说明），进行测量、和描绘实验曲线。 3、测量铝盘不同转速对应磁悬浮力的大小，寻找对应关系，用数学进行拟合，确定其 函数形式和相关系数。 选做实验：利用“悬浮力”平衡一个质量块 1、实验装置不变，调节滑块，使平衡杠杆与托架平 台上的白线条平行。 2、然后在杠杆的头部用螺钉固定一个质量块，如图 4所示，平衡杆偏离平衡位置。 3、接通数据采集接口的电源，开启计算机，打开 Data Studio程序。 4、打开马达，进行测量、记录和描绘实验曲线，增 加转速直到杠杆与白线条平行。分析实验结果。 【数据和结果分析】 力传感器非常灵敏，但是由于空气扰动、铝盘面在转动中的波动等因素，使得测量到 的力在某一范围内变化。为了得到理想的结果，需要多次测量取平均值。具体做法是：在每 一个确定的角速度 · q ，测量 n组的浮力 Fi，然后 求力的平均值 _ F ＝ å n i iFn 1 ，就是 和 · q 对应的力。图 5是在测量位置固定 （半径不变）的一次测量结果。 x-轴 · q是角速度，y-轴 F是悬浮力。黑点 是测量数据，拟和结果为一线性关系。 图 4 图 5 角速度和力的关系 【问题与思考】 1、 实验的目的是考察转速和悬浮力的关系，试分析悬浮力还和那些物理量有关系？ 2、 通过对实验的了解，你能否提出一种磁悬浮列车的悬浮方案呢？ 实验 2 测量磁拉力与铝盘转速的关系 【仪器和元器件】 同实验 1。 【实验设计要求】 1、 利用电磁感应定律，解释拉力产生的原因。 2、 利用实验仪器组装一套测量转速和拉力的实验系统。 3、 利用实验设备定量的研究转速与磁拉力之间的关系。 【设计思路和参考方案提示】 在实验 1 中，我们已经从原理上说明了悬浮力和拉力是同时产生的。究其原因，形象 的可理解为机械运动压缩和拖拉空间的磁场，而根据电磁感应定律，磁介质（这里是铝盘） 要产生一个减小这种变化的磁场，直接导致了悬浮力和 拉力的产生。 利用实验 1中的实验仪器，只需进行适当的调整， 就可以测量拉力。力传感器测量方向是固定的，所以需 要调整它的角度，才能够达到测量拉力的目的。 参考方案提示 A）分析仪器特性设计方案 B）组装实验装置 1、在实验 1的仪器组装基础上，做下列改动： 改变托架方向，使力传感器水平，如图 6所示。 2、重新安装平衡杠杆，并使磁体面朝下，改变铝盘的转 速，可观察到平衡杆偏离平衡位置的角度不同。 【实验装置的调试和测量】 1、接通数据采集接口的电源，开启计算机，打开 Data Studio 程序。 2、打开马达，改变铝盘的转速，观察拉力随转速改变的现 象，用计算机记录和描绘实验曲线，测量铝盘转速与“拖拽 力的对应关系，用数学公式进行拟合，确定其函数形式，建 立经验公式。 选做实验：利用拉力平衡一个质量块 把实验装置作如下调整，如图 7所示。 1、使架子水平放置，磁体朝下。 图 7 图 6 2、在滑块的螺钉上系一根线，线的一端系上砝码盘。 3、用夹子将以灵敏滑轮（摩擦力很小）固定到托架上，让连接砝码盘的线通过滑轮的凹 槽。 4、在砝码盘上增加砝码，使平衡杠杆偏离平衡位置，打开马达，调节铝盘的转速，使平衡 杠杆回到平衡位置，用计算机纪录此时转速。 5、等间隔改变砝码的质量，重复步骤 4，测量砝码与铝盘转速的关系。 【数据和结果分析】 1、对每一个 · q，测量一组力 Fi，并计算平均值。 2、做 _ F 随 · q变化的图。 【结论】 · q 和 _ F 是什么关系？和你的假设是否一致？并利用 datastudio对数据进行拟和，验证自己的 结论。 【注意事项】 在每次测量之前都要按下“TARE”归零。 【问题与思考】 1、拉力与转速的关系是否和 0悬浮力与转速的关系一致？分析原因。 2、根据本实验的提示和电动机的原理，能否设计一种无接触的直线电磁驱动装置？ 3、简要说明现有磁悬浮实验装置的优缺点。