涡流制动演示实验装置制作

杨清雷 刘珂 王泽华 朱国全 唐亚明

(青岛科技大学数理学院 山东 青岛 266042)

我们通过自制的演示实验装置，直观形象地展示电磁场与物质的相互作用规律，演示了涡流效应和基于这种效应的一种应用——涡流制动．给物理实验教学带来了很好的效果．

1 演示实验装置的基本组成和工作原理

本演示实验装置由直流电磁铁、交流电磁铁、交(直)流可调电源、调速电机、霍尔测速组件、支(托)架等组成．演示实验装置示意图如图1所示．

图1 演示涡流制动实验装置示意图

交(直)流可调电源分别给直流电磁铁、交流电磁铁提供电流，建立各自相应的磁场，作用在旋转的铝盘上；直流调速电机通过改变加在它上面的电压，来实现其转速的改变，从而带动铝盘在某一转速下稳定旋转；霍尔测速组件由铝盘边沿粘贴的小磁钢、集成开关型霍尔元件、转速表组成．支架上固定安放的集成开关型霍尔元件，通过数据线连到转速表上，对铝盘的转速实时观测．图2为演示涡流制动实验装置实物图．

图2 演示涡流制动实验装置实物图

本演示实验装置，可以研究外加直流(或交流)磁场与电机转矩、圆盘转速以及制动时间的关系，从而展示涡流在制动方面的作用．该装置能够测量、显示电机的输入电压、电机的电枢电流、电机转速和电磁铁的磁感应强度等物理量．下面，以只外加直流磁场为例，对本装置演示内容加以说明和讨论．

涡流制动演示实验装置的原理如图3所示, 其主要部件是固定在转子上并与之同步旋转的铝圆盘和固定在支架上的电磁铁．当电磁铁靠近转动的铝圆盘时, 它产生的磁场使铝圆盘的表面产生涡流．由于这种涡流产生的阻磁场的影响, 在转子转动的反方向上作用了洛伦兹力，导体中的电流在磁场中受到力的作用阻止导体的运动．此外, 导体中的电流产生热功率．根据能量守恒定律, 阻止导体运动的功率与电流的热功率相等, 热功率所做的功使铝圆盘的动能减少, 也起到了制动的效果．

图3 制动力产生原理图

2 涡流制动演示实验装置可观测的内容

(1)研究和观测电磁铁的励磁电流与磁感应强度的关系

为了安装和测量方便, 我们把高斯计传感测试头紧贴在铝盘的端面上．本实验中测量的磁场均为铝盘端面处的磁场．在铝盘静止时，改变电磁铁的励磁电流I励磁，测量铝盘端面处的磁感应强度，得到对应的B-I励磁曲线，如图4所示．

图4 磁感应强度与磁铁励磁电流间的关系曲线

从图4可以看出，电磁铁的励磁电流与磁感应强度成正比．因此可以通过调节其励磁电流来改变磁感应强度的大小．由图2所示演示实验装置可以看到，直流电磁铁(或交流电磁铁)通过它们的支(托)架，能方便地调节铝盘与电磁铁间的气隙，也能改变加在铝盘表面的磁场大小．

(2)研究和观测电磁铁机构的磁感应强度与制动盘制动力关系

保持电机所加电压为15 V不变，铝盘与电磁铁之间的气隙分别调整为3 mm，6 mm，9 mm, 磁感应强度从0 ～ 28.0 mT变化时，测取电机转速和电机电枢电流，得到对应的I电枢-B关系曲线，如图5所示．其中l表示铝盘与电磁铁间的气隙．

图5 电枢电流与磁感应强度的关系曲线

从图5可以看出，电机带动铝圆盘匀速转动，在电机所加电压不变的情况下，将电磁铁靠近转动的铝圆盘，电磁铁产生的磁场使圆盘的表面产生涡流，涡流产生的阻磁场在转动圆盘的反方向上产生了洛伦兹力，这个反作用力对转动的圆盘起到制动作用，反映到电机上表现出来的状况是电机负载加大，即电枢电流增大．

图5中I电枢-B关系曲线表明，当铝盘与电磁铁之间的气隙固定在某一位置时，制动盘所受的制动力都随电磁铁的磁感应强度的增加而增大；在同一磁感应强度条件下，制动盘所受的制动力随着铝盘与电磁铁之间的气隙减小而增大．这也验证了我们的理论分析．

(3)研究和观测制动盘转速与制动力之间的关系

理想直流电机的特性是所加电枢电压不变，则电机转速也不随负载变化而变化．实际在上述条件下，观测可得图6，可以看出，实际上随着负载的增大，电机的转速有所下降．ω-B关系曲线也作了直观反映，并且，铝盘与电磁铁之间的气隙越小，这个现象就越明显．

图6 转速与磁感应强度的关系曲线

3 制动时间的比较

电机匀速转动时，突然去掉电机电压，同时在转动的圆盘表面加上磁场，并改变磁场大小，测量圆盘从匀速转动到停止时所需要的时间，结果如表1所示．

表1 制动时间的测量

从表1可以看出，加在金属圆盘表面的磁感应强度越大，制动力越大，制动时间越短，制动效果也就越明显．

4 结论

(1)装置直观形象地展示了电磁场与物质的相互作用规律，有助于加深学生对电磁场知识的深入理解，充实了电磁场实验教学内容．并让学生看到涡流制动在高速列车、汽车的缓速、制动等场合具有很强的应用背景．

(2)装置设计、安装调试和实验演示全过程，是我校设计性物理实验项目内容．极大地吸引了学生到实验室来动手，鼓舞了他们创新的热情．学生拿着自己制作的这套装置，参加了2016年山东省第八届大学生物理科技创新大赛，获得了一等奖．