演示磁懸浮實驗裝置的制作

演示磁懸浮實驗裝置的制作

唐亞明①楊清雷

(青島科技大學數理學院山東 青島266042)

摘 要：通過本裝置可以對磁場性能、非磁性金屬環的受力及非磁性金屬環中的感應電流等因素關系進行演示和探究.在課堂教學、課程設計等場合, 直觀顯示交流感應磁懸浮各種技術現象和應用，有著良好的教學效果.本實驗裝置學生可自己動手制作.

關鍵詞：交流感應磁懸浮演示裝置

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和研究.

收稿日期：(2015-04-23)

磁懸浮是一種非常有趣的物理現象，有著廣泛的應用前景.自制一款這樣的演示裝置，可以幫助學生認識、掌握這方面的知識，激發他們的應用熱情，訓練創作能力.

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原理.它的組成主要包括勵磁線圈、鐵芯、非磁性金屬導體、交流電源，其工作原理如圖1所示.

圖1　交流感應磁懸浮技術工作原理圖

當勵磁線圈中通入交變電流時，根據電磁感應定律，處在交變磁場中的非磁性金屬導體中會有感應電流產生，非磁性金屬導體中的感應電流與勵磁線圈中交變電流產生的交變磁場相互作用，會使非磁性金屬導體和勵磁線圈之間產生感應斥力.當非磁性金屬導體位于勵磁線圈上方一定高度時，通過選擇合適的參數條件，可以使非磁性金屬導體受到的感應斥力等于其自身的重力，從而可以使非磁性金屬導體受到豎直方向的感應懸浮力而穩定地懸浮在一定高度.

交流感應磁懸浮演示裝置的三維結構如圖2所示，二維結構圖如圖3所示.

圖2　交流感應磁懸浮裝置三維結構圖

圖3　交流感應磁懸浮裝置二維結構圖

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.非磁性金屬導體選用可以套在軟磁鐵芯上的金屬環進行研究，因此鐵芯上端延伸出的部分可以使非磁性金屬環在感應懸浮力的作用下以鐵芯為導軌做軸向的運動.由于鐵芯的導磁性能很好，因此非磁性金屬環套在鐵芯上還可以很好地引導交流勵磁線圈產生的磁場有效地穿過非磁性金屬環，從而可以提高非磁性金屬環中產生的感應電流，使非磁性金屬環受到的感應懸浮力更大.

2磁懸浮演示實驗裝置可觀測的內容

(1)非磁性金屬環感應電動勢和感應電流相位差的測量實驗

如圖4所示為非磁性金屬環感應電動勢和感應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，開口金屬環的切口兩側分別引出一條導線，導線的另一端分別與示波器相連接.在開口金屬環上端一定的高度有一閉合非磁性金屬環，使開口金屬環和閉合非磁性金屬環之間的距離盡可能大(開口金屬環和閉合非磁性金屬環都是鋁質材料)，以避免閉合非磁性金屬環中產生的感應電流對開口金屬環中感應電動勢的相位產生影響.在閉合非磁性金屬環的外側纏繞一定匝數的輔助線圈，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，輔助線圈的感應電動勢與非磁性金屬環中的感應電流是同相位的，因此通過示波器檢測開口金屬環感應電動勢和輔助線圈感應電動勢之間的相位差，即可求得閉合非磁性金屬環感應電動勢和感應電流的相位差.實驗中采用兩種不同軸向長度的鋁環進行演示，示波器顯示圖像如圖5所示.

從相位差實驗結果可以看出，隨著鋁環軸向長度的增加，非磁性金屬環感應電動勢和感應電流之間的相位差也會增大，若鋁環換成紫銅環的話，有上述相同的現象.只是在相同的軸向長度條件下，紫銅環感應電動勢和感應電流之間的相位差大于鋁環感應電動勢和感應電流之間的相位差.分析和觀測非磁性金屬環感應電動勢和感應電流之間的相位差，據此確定非磁性金屬環受到的感應斥力性質，決定其是否穩定的懸浮.

圖5　鋁環感應電動勢和感應電流相位差測量圖

(2)非磁性金屬環受到的感應懸浮力與線圈電流之間的關系

將實驗裝置倒置，利用可調節高度的支架支撐勵磁線圈，通過調節支架側面的螺釘可以調節支架上部與地面之間的相對高度，非磁性金屬環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支撐在一定的高度.當勵磁線圈中通入交變電流時，非磁性金屬環將受到豎直向下的感應斥力，感應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和非金屬圓管兩者的重力，即可求得非磁性金屬環受到的感應懸浮力F.

F=F′-G1-G2

式中F為非磁性金屬環受到的感應懸浮力，F′電子天平測得的力，G1為非磁性金屬環的重力，G2為非金屬圓管的重力.

為了使實驗結果更加鮮明準確，在實驗測量的過程中，應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產生干擾；在實驗過程中非金屬圓管的內壁應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受到的力與勵磁線圈電流之間的關系實驗中，將勵磁線圈的兩端和可調變壓器相連接，電源的頻率為50 Hz，通過調節勵磁線圈兩端電壓，可以改變勵磁線圈中的電流.本實驗使非磁性金屬環與勵磁線圈端蓋間的距離h保持為15 mm.鋁環受到的感應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　非磁性金屬環受到的感應

從圖中可以看出，隨著勵磁線圈中電流的增大，鋁環受到的感應懸浮力也增大.由于鐵芯材料磁化的非線性因素以及隨著電流的增大，鐵芯中的磁感應強度逐漸趨近于鐵芯的磁飽和強度，因此非磁性金屬環受到感應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受到的感應懸浮力與電流頻率之間關系、非磁性金屬環受到的感應懸浮力與軸向長度之間關系和非磁性金屬環懸浮高度與勵磁線圈電流之間關系等內容的演示.

3小結

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

(2)對該交流感應磁懸浮裝置的磁場性能、非磁性金屬環的受力及非磁性金屬環中的感應電流等因素之間的關系進行了實驗演示.

(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計巧妙，設備經濟，效果明顯.尤其是非磁性金屬環還沒有明顯浮起，就能方便顯示出磁浮力的存在.

(4)本裝置制作和測試內容，作為大二學生的設計研究性物理實驗開設，反映良好，學生都高興做這樣的實驗.我?；W院的幾位學生攜自己制作的這套裝置，參加了2014年山東省第六屆大學生物理創新技能大賽，獲得了一等獎.

參 考 文 獻

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

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