演示磁悬浮实验装置的制作

演示磁悬浮实验装置的制作

唐亚明①杨清雷

(青岛科技大学数理学院山东 青岛266042)

摘 要：通过本装置可以对磁场性能、非磁性金属环的受力及非磁性金属环中的感应电流等因素关系进行演示和探究.在课堂教学、课程设计等场合, 直观显示交流感应磁悬浮各种技术现象和应用，有着良好的教学效果.本实验装置学生可自己动手制作.

关键词：交流感应磁悬浮演示装置

作者简介：①唐亚明 (1958-)，男，高级实验师，主要从事物理实验教学和研究.

收稿日期：(2015-04-23)

磁悬浮是一种非常有趣的物理现象，有着广泛的应用前景.自制一款这样的演示装置，可以帮助学生认识、掌握这方面的知识，激发他们的应用热情，训练创作能力.

1磁悬浮演示装置的基本组成和工作原理

我们所做的磁悬浮演示装置是基于交流感应原理.它的组成主要包括励磁线圈、铁芯、非磁性金属导体、交流电源，其工作原理如图1所示.

图1　交流感应磁悬浮技术工作原理图

当励磁线圈中通入交变电流时，根据电磁感应定律，处在交变磁场中的非磁性金属导体中会有感应电流产生，非磁性金属导体中的感应电流与励磁线圈中交变电流产生的交变磁场相互作用，会使非磁性金属导体和励磁线圈之间产生感应斥力.当非磁性金属导体位于励磁线圈上方一定高度时，通过选择合适的参数条件，可以使非磁性金属导体受到的感应斥力等于其自身的重力，从而可以使非磁性金属导体受到竖直方向的感应悬浮力而稳定地悬浮在一定高度.

交流感应磁悬浮演示装置的三维结构如图2所示，二维结构图如图3所示.

图2　交流感应磁悬浮装置三维结构图

图3　交流感应磁悬浮装置二维结构图

底座、底座端盖和线圈骨架所用的材料为聚四氟乙烯.铁芯选用圆柱形的软磁材料，铁芯的上下两端分别延伸出励磁线圈端部不同的长度，铁芯下端延伸出的部分与底座之间相配合可以使铁芯得以固定.非磁性金属导体选用可以套在软磁铁芯上的金属环进行研究，因此铁芯上端延伸出的部分可以使非磁性金属环在感应悬浮力的作用下以铁芯为导轨做轴向的运动.由于铁芯的导磁性能很好，因此非磁性金属环套在铁芯上还可以很好地引导交流励磁线圈产生的磁场有效地穿过非磁性金属环，从而可以提高非磁性金属环中产生的感应电流，使非磁性金属环受到的感应悬浮力更大.

2磁悬浮演示实验装置可观测的内容

(1)非磁性金属环感应电动势和感应电流相位差的测量实验

如图4所示为非磁性金属环感应电动势和感应电流相位差测量实验的原理图.励磁线圈的上端有一开口的金属环，开口金属环的切口两侧分别引出一条导线，导线的另一端分别与示波器相连接.在开口金属环上端一定的高度有一闭合非磁性金属环，使开口金属环和闭合非磁性金属环之间的距离尽可能大(开口金属环和闭合非磁性金属环都是铝质材料)，以避免闭合非磁性金属环中产生的感应电流对开口金属环中感应电动势的相位产生影响.在闭合非磁性金属环的外侧缠绕一定匝数的辅助线圈，辅助线圈的两端与示波器相连接.

图4　相位差测量原理图

由分析可知，辅助线圈的感应电动势与非磁性金属环中的感应电流是同相位的，因此通过示波器检测开口金属环感应电动势和辅助线圈感应电动势之间的相位差，即可求得闭合非磁性金属环感应电动势和感应电流的相位差.实验中采用两种不同轴向长度的铝环进行演示，示波器显示图像如图5所示.

从相位差实验结果可以看出，随着铝环轴向长度的增加，非磁性金属环感应电动势和感应电流之间的相位差也会增大，若铝环换成紫铜环的话，有上述相同的现象.只是在相同的轴向长度条件下，紫铜环感应电动势和感应电流之间的相位差大于铝环感应电动势和感应电流之间的相位差.分析和观测非磁性金属环感应电动势和感应电流之间的相位差，据此确定非磁性金属环受到的感应斥力性质，决定其是否稳定的悬浮.

图5　铝环感应电动势和感应电流相位差测量图

(2)非磁性金属环受到的感应悬浮力与线圈电流之间的关系

将实验装置倒置，利用可调节高度的支架支撑励磁线圈，通过调节支架侧面的螺钉可以调节支架上部与地面之间的相对高度，非磁性金属环处于励磁线圈的下方，通过放在电子天平上的非金属圆管将非磁性金属环支撑在一定的高度.当励磁线圈中通入交变电流时，非磁性金属环将受到竖直向下的感应斥力，感应斥力通过非金属圆管可以传递至电子天平上，将通过电子天平测量得到的力减去非磁性金属环和非金属圆管两者的重力，即可求得非磁性金属环受到的感应悬浮力F.

F=F′-G1-G2

式中F为非磁性金属环受到的感应悬浮力，F′电子天平测得的力，G1为非磁性金属环的重力，G2为非金属圆管的重力.

为了使实验结果更加鲜明准确，在实验测量的过程中，应该使电子天平处于水平面上；非金属圆管尽量足够长，以避免励磁磁场对电子天平的读数产生干扰；在实验过程中非金属圆管的内壁应该避免和铁芯有接触.

图6　测力装置图

在演示非磁性金属环受到的力与励磁线圈电流之间的关系实验中，将励磁线圈的两端和可调变压器相连接，电源的频率为50 Hz，通过调节励磁线圈两端电压，可以改变励磁线圈中的电流.本实验使非磁性金属环与励磁线圈端盖间的距离h保持为15 mm.铝环受到的感应悬浮力的实验测量值随励磁线圈电流的变化曲线如图7所示.

图7　非磁性金属环受到的感应

从图中可以看出，随着励磁线圈中电流的增大，铝环受到的感应悬浮力也增大.由于铁芯材料磁化的非线性因素以及随着电流的增大，铁芯中的磁感应强度逐渐趋近于铁芯的磁饱和强度，因此非磁性金属环受到感应悬浮力增大的速率先增大后减小.

本演示装置还可以进行非磁性金属环受到的感应悬浮力与电流频率之间关系、非磁性金属环受到的感应悬浮力与轴向长度之间关系和非磁性金属环悬浮高度与励磁线圈电流之间关系等内容的演示.

3小结

(1)本实验装置利用实验室的条件，实现了交流感应磁悬浮理论课堂的直观显示.结构紧凑简单，测量简洁快速，操作方便，现象明显，精度较高.

(2)对该交流感应磁悬浮装置的磁场性能、非磁性金属环的受力及非磁性金属环中的感应电流等因素之间的关系进行了实验演示.

(3)在图6中，使用普通天平观测磁浮力存在，以及磁浮力随励磁线圈电流变化的方法设计巧妙，设备经济，效果明显.尤其是非磁性金属环还没有明显浮起，就能方便显示出磁浮力的存在.

(4)本装置制作和测试内容，作为大二学生的设计研究性物理实验开设，反映良好，学生都高兴做这样的实验.我校化工学院的几位学生携自己制作的这套装置，参加了2014年山东省第六届大学生物理创新技能大赛，获得了一等奖.

参 考 文 献

1刘琳.磁悬浮技术与磁悬浮列车.现代物理知识,2004,16(3)：16～20

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3张士勇.磁悬浮技术的应用现状与展望.工业仪表与自动化装置,2003(3)：63～65

4徐晓美,朱思洪.磁悬浮技术及其工程应用.农机化研究,2005(6)：192~194

5焦其祥.电磁场与电磁波.北京：科学出版社,2010

6梁灿彬,秦光戎,梁竹健.电磁学.北京：高等教育出版社,1980

7葛松华.通以交变电流的长直螺线和内部磁场和电场的分布.物理与工程,2003(6)：6～8

8谭祖根,汪乐宇.电涡流检测技术.北京：原子能出版社,1986