電磁感應(yīng)與磁懸浮磁懸浮是一系列技術(shù)的通稱，它包括借助磁力的方法懸浮、導(dǎo)引、驅(qū)動(dòng)和控制等。磁懸浮的主要方式分為電磁吸引懸浮EMS,永磁斥力懸浮PRS，感應(yīng)斥力懸浮EDS,其基本原理源于電磁感應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生用電磁感應(yīng)的基本定律，研究導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的磁懸浮力、磁牽引力等磁懸浮現(xiàn)象的規(guī)律性，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合給出經(jīng)驗(yàn)公式，并學(xué)會(huì)靈活運(yùn)用電磁感應(yīng)定律進(jìn)行磁懸浮的各種應(yīng)用設(shè)計(jì)。【預(yù)備問(wèn)題】產(chǎn)生電磁感應(yīng)的條件是什么？產(chǎn)生磁懸浮現(xiàn)象的機(jī)理是什么？產(chǎn)生磁懸浮的主要方式有那幾種？各有什么特點(diǎn)？本實(shí)驗(yàn)中利用的是穩(wěn)恒磁場(chǎng)還是交變磁場(chǎng)？是均勻磁場(chǎng)還是非均勻磁場(chǎng)？本實(shí)驗(yàn)采用什么方法測(cè)量磁懸浮力和牽引力的？若要提高測(cè)量精度應(yīng)如何改進(jìn)？本實(shí)驗(yàn)采用什么方法測(cè)量軸承轉(zhuǎn)速？若要提高測(cè)量轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性應(yīng)如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置？鋁盤轉(zhuǎn)速與磁懸浮和磁牽引力有什么關(guān)系？【引言】1831年，英國(guó)科學(xué)家法拉第從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過(guò)一閉合回路所包圍的磁通量（磁感應(yīng)強(qiáng)度B的通量）發(fā)生變化時(shí)，回路中就產(chǎn)生電流，這種電流稱之為感應(yīng)電流。法拉第在1831年11月24日向英國(guó)皇家學(xué)院報(bào)告了《電磁學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究》的結(jié)果，他將電磁感應(yīng)的條件概括為：①變化的電流；②變化的磁場(chǎng)；③運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)恒電流；④運(yùn)動(dòng)的磁鐵；⑤在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體。電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)，無(wú)論在科學(xué)和技術(shù)上都具有劃時(shí)代的意義，電磁感應(yīng)定律使人類找到機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換方法，為生產(chǎn)部門和各行各業(yè)廣泛的使用電力創(chuàng)造了條件，大大地促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展和人類文明的進(jìn)程，開(kāi)創(chuàng)了電氣新時(shí)代的新紀(jì)元。目前磁懸浮技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用主要集中在磁懸浮列車和磁懸浮軸承上。第一個(gè)提出磁懸浮列車的是美國(guó)布魯克林國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的兩位青年物理學(xué)家JamesR.Powell和GordonDanby。他們?cè)O(shè)想了一種有超導(dǎo)磁鐵感應(yīng)線圈懸浮的每小時(shí)480公里的火車，而德國(guó)人海爾曼率先獲得開(kāi)發(fā)磁懸浮列車的專利。于是磁懸浮列車首先在德國(guó)，隨后在日本進(jìn)行了更深入的研究。由于磁懸浮列車在運(yùn)行時(shí)是懸浮在磁軌上，只要象飛機(jī)一樣克服空氣阻力就可以前進(jìn)，而不像火車或汽車那樣還需要克服鐵軌或地面的阻力。所以，磁懸浮列車的速度可與飛機(jī)相比，同時(shí)，它不但無(wú)噪音，還可大大地節(jié)約能源，安全性比飛機(jī)還優(yōu)越。磁懸浮列車的諸多優(yōu)點(diǎn)，將使地面交通發(fā)生巨大的變革。許多發(fā)達(dá)國(guó)家正在競(jìng)相開(kāi)發(fā)磁懸浮列車技術(shù)，上海于2002年建成我國(guó)第一條磁懸浮示范運(yùn)營(yíng)線。最近美國(guó)宇航局正在研制磁懸浮發(fā)射航天器，馬歇爾宇航中心的發(fā)射部經(jīng)理謝里布希曼說(shuō):“與火箭相比，磁懸浮用電費(fèi)用簡(jiǎn)直便宜的驚人。同時(shí)即安全又符合環(huán)保的要求”。另外，磁懸浮技術(shù)在國(guó)防、材料制備、機(jī)電工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域中均有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。楞次定律：閉合回路中的感應(yīng)電流方向，總是企圖使感應(yīng)電流本身所產(chǎn)生的通過(guò)回路面積的磁通量，去反抗引起感應(yīng)電流的磁通量的改變。或者說(shuō)感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是阻礙原來(lái)的磁場(chǎng)的變化。法拉第電磁感應(yīng)定律：不論任何原因使通過(guò)回路面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與此通量對(duì)時(shí)間的變化率成正比，即￡.=一皿 （5.2.1）idt式中負(fù)號(hào)，表明了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向，k為比例系數(shù)，其值決定于式中各物理量所用的單位。如果使用國(guó)際單位制，則k=1。如果感應(yīng)回路是N匝串聯(lián)，那么在磁通量的變化時(shí)，每匝線圈都將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，若每匝中通過(guò)的磁通量相同，則有… d（NQ）￡二一N4— （5.2.2）i dt dt習(xí)慣上把N稱為線圈的磁通量匝數(shù)。對(duì)本實(shí)驗(yàn)裝置，在金屬鋁盤與永磁體做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的“磁懸浮力”和“磁牽引力”可以理解為與通過(guò)鋁盤單位面積內(nèi)磁通量的大小有關(guān)。請(qǐng)查閱相關(guān)資料和文獻(xiàn)寫出實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方案。

實(shí)驗(yàn)儀器】本實(shí)驗(yàn)的基本裝置由電磁感應(yīng)與磁懸浮綜合實(shí)驗(yàn)儀、力傳感器，光電傳感器，步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制器、鋁盤、磁懸浮測(cè)試底座和傳感器支架、帶有小輻輪和永磁體的軸承等組成如下圖所示：為了保證實(shí)驗(yàn)的精度，本實(shí)驗(yàn)采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)可以將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角），在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不受負(fù)載變化的影響。本實(shí)驗(yàn)中，我們可以用步進(jìn)電機(jī)控制器來(lái)控制脈沖頻率，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體操作方法如下：1.圖2步進(jìn)電機(jī)控制器面板打開(kāi)控制器電源開(kāi)關(guān)，按一下按鍵，進(jìn)入到自動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)1.圖2步進(jìn)電機(jī)控制器面板打開(kāi)控制器電源開(kāi)關(guān)，按一下按鍵，進(jìn)入到自動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)auto燈亮，數(shù)碼管顯示SP20000，這里20000即為脈沖頻率。2.按一下按鍵，電機(jī)即按照當(dāng)前設(shè)置速度開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn);3.按一下按鍵，電機(jī)即停止運(yùn)轉(zhuǎn);4.可由減小脈沖頻率，實(shí)現(xiàn)減速,加大脈沖頻率，實(shí)現(xiàn)加速，加減步長(zhǎng)為999,調(diào)整范圍為20000~32000。電機(jī)轉(zhuǎn)速（角速度）與頻率的換算關(guān)系為：fX1.8 兀①二 x22.按一下按鍵，電機(jī)即按照當(dāng)前設(shè)置速度開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn);3.按一下按鍵，電機(jī)即停止運(yùn)轉(zhuǎn);4.可由減小脈沖頻率，實(shí)現(xiàn)減速,加大脈沖頻率，實(shí)現(xiàn)加速，加減步長(zhǎng)為999,調(diào)整范圍為20000~32000。電機(jī)轉(zhuǎn)速（角速度）與頻率的換算關(guān)系為：fX1.8 兀①二 x2兀二 16X360 1600其中f為脈沖頻率。圖3傳感器支架，箭頭方向?yàn)閭鞲衅骺梢詼y(cè)量的力的方向。步進(jìn)電機(jī)安裝在金屬底座上，并與鋁盤相連。底座上還安裝有一個(gè)傳感器支架，可以用來(lái)固定磁鐵，同時(shí)支架上的傳感器可以用來(lái)測(cè)量磁鐵的受力情況，力的大小可從數(shù)顯窗口上直接讀出。支架上的標(biāo)簽所畫箭頭方向?yàn)閭鞲衅骺梢詼y(cè)量的力的方向，因?yàn)閼腋×εc牽引力方向不同，因此測(cè)量時(shí)需要注意傳感器和永磁體的裝配位置。【實(shí)驗(yàn)程序】一、磁牽引力的測(cè)量移去帶有小輻輪和永磁體的軸承。裝配磁懸浮測(cè)試架，調(diào)節(jié)底座的水平。根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)，先思考一下力傳感器和永磁體應(yīng)如何裝配？再將力傳感器和永磁體安裝到立柱上，并鎖緊螺絲。永磁體與鋁盤的距離可用兩層標(biāo)準(zhǔn)墊片（實(shí)驗(yàn)室提供）來(lái)調(diào)節(jié)，同時(shí)思考一下永磁體的擺放位置。裝配好后檢查永磁體與鋁盤是否接觸，避免高速旋轉(zhuǎn)后磁鐵飛出造成意外傷害。在鋁盤靜止?fàn)顟B(tài)按磁力數(shù)顯窗口旁的SET鍵和REF鍵，使磁力顯示歸零。從最小頻率開(kāi)始，逐級(jí)加大脈沖頻率，到最大頻率為止，測(cè)量鋁盤不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)磁牽引力的大小，每個(gè)頻率測(cè)量三組數(shù)據(jù)（可以暫停后重新旋轉(zhuǎn)再測(cè)量下一組數(shù)據(jù)），并記錄數(shù)據(jù)。二、 磁懸浮力的測(cè)量磁懸浮力測(cè)量與測(cè)量磁牽引力的步驟類似，但要根據(jù)磁懸浮力的方向重新裝配力傳感器和永磁體。從最小頻率開(kāi)始，到最大頻率為止，測(cè)量鋁盤不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)磁懸浮力的大小，每個(gè)頻率測(cè)量三組數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)。三、 設(shè)計(jì)并測(cè)量磁懸浮傳動(dòng)系統(tǒng)移去傳感器支架，利用帶有小輻輪和永磁體的軸承，參考上述基本實(shí)驗(yàn)程序，設(shè)計(jì)磁懸浮傳動(dòng)系統(tǒng)，將軸承裝配在立柱合適的位置上，要注意避免意外傷害！從最小頻率開(kāi)始，到最大頻率為止，測(cè)量鋁盤不同轉(zhuǎn)速對(duì)軸承轉(zhuǎn)速的影響，軸承轉(zhuǎn)速可由轉(zhuǎn)速窗口讀出，每個(gè)頻率測(cè)量六組數(shù)據(jù)，并記錄下來(lái)。這一部分實(shí)驗(yàn)要求思考一下如何使軸承轉(zhuǎn)速讀數(shù)更穩(wěn)定？根據(jù)你的想法改進(jìn)到最好的效果再進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)將你發(fā)現(xiàn)的有效的改進(jìn)措施記錄在實(shí)驗(yàn)記錄紙上。四、（選作）利用標(biāo)準(zhǔn)塑料墊片改變磁鐵和鋁盤的距離，分析磁牽引力與懸浮力隨距離的變化規(guī)律。注意事項(xiàng)】在安裝力傳感器和永磁體時(shí)，要注意檢查磁體與鋁盤是否有摩擦，如有摩擦則在鋁盤高速旋轉(zhuǎn)時(shí)可能導(dǎo)致永磁體飛出，造成傷人事故！為了防止在鋁盤高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的震動(dòng)導(dǎo)致傳感器和永磁體隨支持桿下滑，導(dǎo)致永磁體飛出，立柱上的固定螺絲一定要擰緊！【數(shù)據(jù)和結(jié)果分析】用多項(xiàng)式擬合不同轉(zhuǎn)速與磁牽引力的依賴關(guān)系，確定其函數(shù)形式和相關(guān)系數(shù)。用多項(xiàng)式擬合不同轉(zhuǎn)速與磁懸浮力的依賴關(guān)系，確定其函數(shù)形式和相關(guān)系數(shù)。用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行擬合鋁盤不同轉(zhuǎn)速對(duì)軸承轉(zhuǎn)速的依賴關(guān)系，確定其函數(shù)形式和相關(guān)系數(shù)，計(jì)算其傳動(dòng)比。擬合磁懸浮力隨距離改變的變化規(guī)律。【拓展問(wèn)題】定量研究永磁體與運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體之間距離的改變，對(duì)電磁相互作用力（包括磁懸浮力和磁牽引力）的影響，找出其規(guī)律性，給出經(jīng)驗(yàn)公式。查閱相關(guān)文獻(xiàn)和資料，或閱讀法拉第有關(guān)電磁學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究的原文（見(jiàn)中心網(wǎng)站），請(qǐng)根據(jù)磁懸浮原理，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)易的磁懸浮軸承、或磁懸浮轉(zhuǎn)向架、或磁懸浮隔振系統(tǒng)，給出詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案和技術(shù)分析，鼓勵(lì)在課內(nèi)外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。利用磁牽引力效應(yīng)，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)易的電磁制動(dòng)器、或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、或轉(zhuǎn)速計(jì)、或磁力攪拌器等，給出詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案和技術(shù)分析，鼓勵(lì)在課內(nèi)外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。自選相關(guān)研究課題，給出研究方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索。【參考資料】費(fèi)恩曼、萊頓、桑茲，費(fèi)恩曼物理學(xué)講義（第二卷），上海科學(xué)技術(shù)出版社趙凱華，陳熙謀，電磁學(xué)（下冊(cè)中第五章、第六章