[实验讲义-电磁感应与磁悬浮讲义-2012.docVIP

电磁感应与磁悬浮 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，其基本原理源于电磁感应。 本实验要求学生用电磁感应的基本定律，研究导体在磁场中运动而导致的磁悬浮力、磁牵引力等磁悬浮现象的规律性，通过数据拟合给出经验公式，并学会灵活运用电磁感应定律进行磁悬浮的各种应用设计。 【预备问题】 1. 产生电磁感应的条件是什么？产生磁悬浮现象的机理是什么？ 2. 产生磁悬浮的主要方式有那几种？各有什么特点？ 本实验中利用的是稳恒磁场还是交变磁场？是均匀磁场还是非均匀磁场？ 本实验采用什么方法测量磁悬浮力和牵引力的？若要提高测量精度应如何改进？ 本实验采用什么方法测量轴承转速？若要提高测量转速的稳定性应如何改进实验装置？ 铝盘转速与磁悬浮和磁牵引力有什么关系？ 【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，无论在科学和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方法，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。 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。许多发达国家正在竞相开发磁悬浮列车技术，上海于2002年建成我国第一条磁浮示范运营线?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。 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：不论任何原因使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与此通量对时间的变化率成正比， 即 （5.2.1） 式中负号，表明了感应电动势的方向，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 （5.2.2） 习惯上把N? 称为线圈的磁通量匝数。 对本实验装置，在金属铝盘与永磁体做相对运动时，产生的“磁悬浮力”和“磁牵引力”可以理解为与通过铝盘单位面积内磁通量的大小有关。请查阅相关资料和文献写出实验原理和实验方案。 【实验仪器】 本实验的基本装置由电磁感应与磁悬浮综合实验仪、力传感器，光电传感器，步进电机、步进电机控制器、铝盘、磁悬浮测试底座和传感器支架、带有小辐轮和永磁体的轴承等组成。 如下图所示： 为了保证实验的精度，本实验采用步进电机步进电机电脉冲转化为角位移当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）在非超载的情况下，电机的转速不受负载变化的影响。 其中f 为脉冲频率。 步进电机安装在金属底座上，并与铝盘相连。底座上还安装有一个传感器支架，可以用来固定磁铁，同时支架上的传感器可以用来测量磁铁的受力情况，力的大小可从数显窗口上直接读出。支架上的标签所画箭头方向为传感器可以测量的力的方向，因为悬浮力与牵引力方向不同，因此测量时需要注意传感器和永磁体的装配位置。 【实验程序】 磁牵引力的测量 移去带有小辐轮和永磁体的轴承。 装配磁悬浮测试架，调节底座的水平。根据实验装置的结构，先思考一下力传感器和永磁体应如何装配？再将