文档介绍：分类号:
本科生毕业论文(设计)
题目: 奇妙的“跳环”
作者单位物理学与信息技术学院
作者姓名王刚
专业班级 2006级一班
指导教师(职称) 郭芳霞(副教授)
论文(设计)完成时间二0一0年五月
奇妙的跳环
王刚
(陕西师范大学物理学与信息技术学院,陕西,西安,710062 )
摘要:本文是基与愣次定律的基础上研究了铝环在磁场中的跳跃,振荡,共振等各种奇妙现象,从理论上分别解释了各种现象发生的原理和发生所需的条件,并计算了各种现象的发生的临界条件和理论值。最后从理论上给出了实验电路智能化的设计原理和步骤。并对实验中可能出现的故障和原因作出了分析。本实非常直观的验证了愣次定律。对学****愣次定律和理解有一定的帮助。
关键词: 电磁感应愣次定律跳环智能电路
一研究背景
1842年,Earnshaw针对平方反比的力场,证明其对应的位能没有局部的最大值或最小值。因此一个受静电场、静磁场或重力场作用的粒子,在没有物质分布只有力场的区域是不可能处于稳定而且平衡的状态的。所以要在地球上让一物体抵抗重力浮起来,是无法用静电场或静磁场做到的。影响所及,使得 . Thomson在1904年提出一个静态稳定的原子模型,其电荷的分布必须如葡萄干布丁一样,以免违背Earnshaw的理论。具有排磁性的反磁性物质是Faraday在Earnshaw提出理论之后几年发现的, 1872年时Lord Kelvin 指出反磁性物质不需要遵守Earnshaw的理论,因此反磁性物质可以在静磁场里浮起来。然而由基本的解释得知所有的物质都有反磁性, 只是其磁性很小,因此一直到1939年,Braunbek才成功的利用了足够强的磁场将小块的石墨及铋磁浮了起来,而Berry与Geim在1997年使用超强的磁场,将一只活的青蛙磁浮了起来,现在他们正在盖更强更大的磁场,可以磁浮更大件的物体。利用反磁性物质来稳定一个在磁场里平衡的磁铁,也能做到磁浮。用普通磁体承担重力,而只用物质的反磁性来维持稳定。这样,用一般物质的反磁性虽弱,但就已足够维持几克重物的磁悬稳定。1996年日本在磁场悬浮实验中,利用一个金属盘子将体重为142公斤的相扑运动员悬起。1997年,荷兰奈梅亨大学的物理学家安德烈·杰姆和英国布里斯托尔大学的麦克尔·贝利爵士,利用一块超导磁石将一只活着的青蛙飘浮在半空中。青蛙本身是一个非磁体,但是通过电磁石的磁场而变得有磁性。2000年时, Simon及 Geim利用超导磁铁的超强磁场,在两只手指间(反磁性为石墨的1/20)磁浮一个小磁铁。
磁悬浮技术的研究源于德国,早在1922年Hermann Kemper先生就提出了电磁悬浮原理,并于1934年申请了磁浮列车的专利。其原理简单地说,就是利用两个同名磁极之间的磁斥力或两个异名磁极之间磁吸力,使电磁力抵消地球引力,从而使列车与导轨之间分离,达到悬浮的目的。当今,世界上的磁悬浮列车主要有两种“悬浮”形式,一种是斥浮型,它利用两同名磁极间的排斥力,使列车悬浮起来,一般利用超导磁体来实现;另一中是吸浮型,它利用两异名磁极之间的吸引力使列车悬浮起来,一般利用常导体来实现。
本文是建立在愣次定律的基础上利用线圈在通电时产生的变化磁场与吕环的相互作用,使吕环垂直向上跳跃,产生磁悬浮现象,验证愣次定律,提高实验能力,激发学****电磁学的兴趣。
二实验原理
当带线圈中突然通电时,在线圈内部会产生一个很强的磁场,使套在线圈上的吕环内的磁通量发生巨变,从而在闭合吕环中产生相应的感应电流,由愣次定律可知,感应电流的磁通量总要阻碍线圈中的原磁通量的变化,因此电流突然从零增大时,吕环中的感应电流与线圈内的电流方向相反,根据左手定则,可以判断吕环中将受到一个向上的排斥力的作用,时吕环向上跳起。
水平吕环的移动
如图1所示,把线圈套在软铁棒上,两边各套有一个空心的铝环并贴近线圈,线圈和电源相连,事先调节好电源各项指标,现接通电源,这时线圈中突然通一电流,两只铝环同时受到线圈的排斥,而沿铁棒从线圈两侧向外滑动,而断开电源时,线圈中的电流突然消失,两只铝环同时受到线圈的吸引力,沿着软铁棒从线圈两侧原来的位置滑动。
吕环
吕环
铁心
线圈
图1
其中的电磁受力分析如下:设铝环的半径和线圈的半径大小相等且为,铝环的电阻为,电源的电流为,及铝环受的力为:
(1)
设螺线管的,半径为,总长度为,单位长度的电流为,取圆筒的轴线为,如图2所示。
P
R
0
距离信号
其磁场强度大小为:
(2)
其中是场点的坐标,即整个螺线管在产生的磁场强度为:
令,。
把上面的积分变换为,则有:
(3)
再次取其近似,可以认为点就在螺线管的端口,即可得到磁场强度的大小为:
(4)