實驗答辯論文

磁體與金屬的電磁阻尼現(xiàn)象分析耿瑞東、穆宇豪、王慶宇中國礦業(yè)大學(xué)理學(xué)院在磁場中轉(zhuǎn)動的線圈，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。若線圈的外電路閉合，則在線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電流。磁場對感應(yīng)電流將產(chǎn)生安培力，形成與原來轉(zhuǎn)動方向相反的力偶矩，對線圈的轉(zhuǎn)動起阻尼作用，這就是簡單的電磁阻尼現(xiàn)象。通過簡單模型對實驗展示儀器進行定性，定量分析，在有趣的現(xiàn)象中發(fā)掘物理原理。1、引言在實驗室里，我們看到這樣一臺儀器：在三個金屬柱壯管上分別套有一個環(huán)，兩個有金屬光澤一個為塑料材質(zhì)。其中一個金屬環(huán)側(cè)面有裂縫，并不是完全的環(huán)繞金屬管。將三個環(huán)分別挪到最上端，然后松手任其自由落下，我們會發(fā)現(xiàn)三個環(huán)下落的速度并不相同。完整的金屬環(huán)下落最慢，有裂縫的次之，塑料環(huán)下落最快。這個裝置讓我想起了科技館中常見的表演，在豎直放置的空心鋁管中，從上端放入一圓柱形磁體，結(jié)果在沒有什么摩擦的情況下磁體緩慢落下，而在有裂縫的鋁管中下落就變快了。這是為什么呢？在高中物理學(xué)課本上，我們依據(jù)楞次定律、電磁感應(yīng)、右手定則等基本原理可以簡單地來做出定性分析：在磁性很強的圓柱形磁體下落的過程中，沒有缺口的鋁管中的磁通量發(fā)生變化（磁體上方鋁管的磁通量減小，下方鋁管的磁通量增大），所以鋁管中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場將對下落的磁體產(chǎn)生阻力作用，磁體在鋁管中緩慢下落；如果磁體在有缺口的鋁管中下落，盡管鋁管中也會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場將對下落的磁體也產(chǎn)生阻力，但這時的阻力非常小，所以磁體在鋁管中下落得比較快。但是，這只是在管子相對于磁體比較短的情況下，但當(dāng)管子相對于磁體足夠長時，隨著磁體加速下落，磁通量變化也越來越快，阻力也越來越強，磁體下落到管子一定深度后，上下方鋁管的磁通量都可視為不變。這時，結(jié)果應(yīng)該是什么樣的呢。對此，我們還要進一步分析情況。2、對磁極軸向分布的強磁體下落現(xiàn)象的解釋管子較長時，磁鐵在管中下落一定距離后，磁鐵上、下方的磁通量均可以視為不變，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，管內(nèi)的總電動勢為零，管內(nèi)的渦流是怎樣形成的呢？.鬟.-?■:一.歹

.鬟.-?■:一.歹■'：；：■:'=14?二*眼：的,一’?上拿若將磁體看成不動，管子相對于磁體向上運動，由于存在磁感應(yīng)強度沿半徑方向的分量，管子的每一部分都可以看作閉合線圈。當(dāng)磁體下落時，管子在做切割磁感線運動，由右手定則可以得出，磁鐵上下管子中的渦流方向相反。從圖中可以看出，磁鐵上半部分管中的渦流相當(dāng)于上面是N級，下面是S級的磁體；磁鐵下半部分管中的渦流相當(dāng)于上面是S級，下面■'：；：■:'=14?二*眼：的,一’?上拿妙、:Mf上往下看）根據(jù)上述分析可知，由于管子的渦流對圓柱形磁體的作用是“上拉下頂”，所以形成對其運動過程的阻力。3、磁鐵在有裂縫的鋁管中下落較快的原因分析由于管子整體相對于磁體做切割磁感線運動，關(guān)于磁體上下對稱處的管子中的感應(yīng)電動勢大小相同、方向相反，通過裂口處形成閉合回路。由于裂口表面薄層的電阻較大，磁鐵與管子的相對速度較小時，感應(yīng)電流較弱，所以渦流反作用于磁極的電磁力較弱。要使渦流反作用于磁極的電磁力等于磁鐵的重力，磁體必須以較快的速度下落。簡單的說，就是回路的電阻變大，要達到和無裂口的管子相同的渦流，必需要增大電動勢，即增大管子與磁體的相對運動速度。磁體下落方向4、實驗設(shè)計與檢驗磁體下落方向為了驗證我們的理論推斷，可以根據(jù)簡單的受力分析來驗證磁體在管子中的下落運動情況。力的作用是相互的，在磁體加速下落的過程中，感應(yīng)電流愈大產(chǎn)生的電磁阻力愈強，磁體對管子的作用力增大。在磁體勻速下落時，受力平衡，電磁阻力約等于磁體所受的重力。由此，我們可以根據(jù)管子的受力，間接得出磁體的運動情況。實驗準(zhǔn)備：彈簧測力計，足夠長的鋁管，圓柱形強磁體用彈簧測力計將鋁管豎直懸掛，然后將磁體從上端放入自由落下。觀察彈簧測力計的示數(shù)變化，我們就可以比較直觀的看出磁體運動變化。―根據(jù)理論分析，彈簧測力計的示數(shù)應(yīng)該是先快速增大，后穩(wěn)定于一固定數(shù)值，約為管子與磁體的質(zhì)量和。5、電磁阻尼現(xiàn)象在生活中的應(yīng)用根據(jù)電磁感應(yīng)定理可知，當(dāng)導(dǎo)電材料和磁場發(fā)生相對運動時，會在導(dǎo)電材料中感應(yīng)出渦流，并且該渦流會激發(fā)感應(yīng)磁場。又由楞次定律可知，該感應(yīng)磁場的作用是阻礙導(dǎo)電材料與主磁場的相對運動，即對導(dǎo)電材料施加一個阻尼力（制動力）。此外，由于導(dǎo)電材料自身的電阻不為零，根據(jù)歐姆定律，渦流將以熱能的形式耗散。電磁阻尼器就是基于上述原理的電磁裝置。相比于傳統(tǒng)的粘滯、粘彈性阻尼器，電磁阻尼器在產(chǎn)生阻尼力的過程中，初級和次級導(dǎo)體板沒有接觸，不影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和材料屬性。此外，還具有噪聲小、維護方便、系統(tǒng)壽命長、工作原理簡單、控制方便、可靠性高，以及對環(huán)境不會造成污染等優(yōu)點。由于其優(yōu)越的性能和特點，電磁阻尼器在抑制振動、車輛懸掛系統(tǒng)、空間對接機構(gòu)、高速列車的制動、傳動系統(tǒng)等工程領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛。電磁阻尼器根據(jù)初級激勵源的不同，可以分為電勵磁電磁阻尼器、永磁式電磁阻尼器、混合勵磁電磁阻尼器三種類型。電勵磁直線電磁阻尼器通常應(yīng)用于軌道制動中，即通過對安裝在列車兩側(cè)的電磁鐵，在鋼軌上產(chǎn)生渦流使列車制動，有無摩擦、制動迅速等優(yōu)點。永磁式直線電磁阻尼器不光應(yīng)用于制動領(lǐng)域還經(jīng)常應(yīng)用于抑振領(lǐng)域。國立臺灣大學(xué)的Lin和韓國光州科學(xué)技術(shù)院的Kim等將電磁阻尼器應(yīng)用在高精度定位平臺。該電磁阻尼器可以有效抑制定子的振動，顯著增加系統(tǒng)阻尼系數(shù)，減小諧振峰值，并可以改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)?；旌蟿畲偶婢唠妱畲藕陀来攀诫姶抛枘崞鞯膬?yōu)點，氣隙磁場由勵磁繞組和永磁體共同產(chǎn)生，所以制動力密度大、可調(diào)節(jié)、損耗低；但其也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、體積大等問題。6、結(jié)論我們從理想化角度出發(fā)，并通過簡單的定量分析，利用探究實驗進行驗證，對實驗