電磁小火車原理理論分析課件

電磁小火車實(shí)驗(yàn)上海第二工業(yè)大學(xué)15光電A1:桂進(jìn)雄電磁小火車實(shí)驗(yàn)1研究步驟：（1）實(shí)驗(yàn)材料選擇及要求（2）實(shí)驗(yàn)裝置制作方法及要求（3）實(shí)驗(yàn)預(yù)先探究（4）電路原理分析（5）實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象（6）動(dòng)力原理分析（宏觀與微觀）（7）影響因素及相關(guān)參量（8）功率因素的相關(guān)參量及理論分析（9）具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式推導(dǎo)研究步驟：2實(shí)驗(yàn)材料：1.5V干電池一節(jié)

細(xì)銅線

扁圓住狀銣鐵硼磁鐵石兩個(gè)實(shí)驗(yàn)材料：3操作問題：銅導(dǎo)線需要有什么要求？

磁鐵石的選擇有什么要求？操作方法：

將銅導(dǎo)線繞于一個(gè)直徑大于磁鐵石直徑的光滑圓柱管上制成類似彈簧狀的螺旋線圈，各環(huán)銅線互不相碰。最后將線圈抽出制成實(shí)驗(yàn)螺旋線圈。再將磁鐵石吸在電池兩端做成小火車。

電磁小火車原理理論分析ppt課件4實(shí)驗(yàn)問題探究：系統(tǒng)動(dòng)力從何而來？電池兩端磁鐵安放應(yīng)該如何？展開如下探究：先用有絕緣皮的導(dǎo)線制作一個(gè)簡易的螺旋管，然后用一個(gè)帶孔的磁鐵（磁極為正反兩面）套在一個(gè)光滑棒上伸入螺線管內(nèi)，然后通電，滑動(dòng)磁鐵在螺線管中的位置探究磁鐵受力情況。實(shí)驗(yàn)問題探究：5探究發(fā)現(xiàn)：磁鐵的受力在螺線管兩端有明顯的表現(xiàn)，在螺線管中部沒有明顯的受力運(yùn)動(dòng)趨勢。探究發(fā)現(xiàn)：6再次用電池磁鐵組成的系統(tǒng)做預(yù)先實(shí)驗(yàn)：調(diào)整磁鐵方向，以及改變電流方向探究小火車受力情況。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：磁鐵兩極要同極相對才有單方向的受力；內(nèi)部相對的極性與小火車運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)；電流方向也與小火車的運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)；再次用電池磁鐵組成的系統(tǒng)做預(yù)先實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：7進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出分析：小火車能順利的跑起來小火車能順利的跑起來8實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：小火車動(dòng)了起來，并發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向只與兩磁鐵石相對的極性以及螺旋線圈繞向有關(guān)。（如果固定線圈繞向以及磁鐵的安放，那么這個(gè)小火車就有一個(gè)固定的車頭，電池正極或負(fù)極）。實(shí)驗(yàn)分析：調(diào)換火車頭時(shí)。相對電池：調(diào)換了正負(fù)極，電流方向隨著調(diào)換小火車方向而改變。相對磁鐵：兩磁鐵的磁極相對情況并沒改變（調(diào)換火車頭能使小火車返回）；力的相互作用是發(fā)生在磁鐵與線圈之間的，所以磁鐵的極性方向以及螺旋線圈的繞向可調(diào)整火車頭是電池的正極還是負(fù)極實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：9扁圓住磁鐵磁場分布分析磁場分布：螺旋線圈磁場分布扁圓住磁鐵磁場分布分析磁場分布：螺旋線圈磁場分布10

通電有效的螺旋線圈兩端應(yīng)為電池兩端附近處可以從圖中看出，小火車的受力位置為兩個(gè)磁鐵，可以簡單的認(rèn)為磁鐵是位于通電螺旋線圈兩端，并在之外。這樣就可與把這段線圈等效為一個(gè)條形磁鐵，電池兩端的磁鐵就分別與這個(gè)條形磁鐵兩端相吸引和相排斥，然后這兩個(gè)力朝向同一個(gè)方向構(gòu)成一個(gè)合力推動(dòng)小火車前行。通電有效的螺旋線圈兩端應(yīng)為電池兩端附近處11分析影響小火車功率和速度的相關(guān)參量：摩擦因素導(dǎo)線電阻單位長度螺旋線圈的匝數(shù)螺旋線圈半徑電池內(nèi)阻磁鐵的磁場強(qiáng)度及導(dǎo)電性能電池及磁鐵質(zhì)量總之小火車要跑的快，所受的合力就要大。而合力的產(chǎn)生是來源于磁鐵與線圈的相互作用，這個(gè)合力的大小就取決于兩者的磁場強(qiáng)度。對于磁鐵的磁力大小是屬于磁鐵的固有性質(zhì)，線圈所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度就與電流及線圈纏繞密度（螺旋線圈單位長度的匝數(shù)）有直接的關(guān)系。從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度，摩擦因素對它的速度也有直接的影響。分析影響小火車功率和速度的相關(guān)參量：總之小火12進(jìn)一步的理論分析：對于繞的很密的螺旋線圈，每匝通電線圈都可看成圓電流，在線圈軸線上的每點(diǎn)的磁場強(qiáng)度等于各匝線圈在該點(diǎn)產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量和。

進(jìn)一步的理論分析：

13微觀動(dòng)力原理及微觀電學(xué)分析：在小火車啟動(dòng)的瞬間（速度為零）電流方向就是粒子相對磁場的方向（沿y軸），洛倫茲力也就垂直于導(dǎo)線（沿x軸）。此時(shí)洛倫茲力不會(huì)影響電流，只是從宏觀上表現(xiàn)出安培力，這個(gè)安培力的反作用力也就是小火車的動(dòng)力。此刻電路為純電阻電路。小火車啟動(dòng)后，載流粒子又有了一個(gè)沿x軸方向的速度，這個(gè)速度產(chǎn)生的洛倫茲力沿y軸方向，并且與電流方向相反，形成了一個(gè)電流阻力從而抑制了電流（非純電阻）。對線圈中載流粒子的分析：導(dǎo)線中的一些載流粒子所處的磁場必然會(huì)有一個(gè)磁場分量過原點(diǎn)垂直于xoy面，從而也有一個(gè)洛倫茲力分量平行于xoy平面對載流粒子產(chǎn)生影響（宏觀表現(xiàn)出力的作用，微觀影響電流）。微觀動(dòng)力原理及微觀電學(xué)分析：對線圈中載流粒子的分析：導(dǎo)線中的14小火車的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了洛倫茲力產(chǎn)生分量沿電流的反方向使得電流減弱，從而總功率減弱。電流的減弱使線圈產(chǎn)生的磁場減弱，從而使動(dòng)力減弱，直到與摩擦力相等達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)。這個(gè)影響電流的洛倫茲力也就形成了一個(gè)反電動(dòng)勢與外部電壓相消達(dá)到減弱電流的作用。我們通過如下實(shí)驗(yàn)來證明反電動(dòng)勢的存在，于是根據(jù)這個(gè)理論列出相關(guān)表達(dá)式。我們使螺旋線圈豎起來，然后用一組磁鐵從上端拋下。用萬用表調(diào)到電壓檔或電流檔最小量程，再把表筆接到螺旋線圈兩端。小火車的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了洛倫茲力產(chǎn)生分量沿電流的反方向使得電流減弱15對于整個(gè)小火車系統(tǒng)（包含線圈）對外是沒有機(jī)械功率輸出的，機(jī)械功率是電池和磁鐵相對于線圈來說的。E=BLv=kvF=BLI=kI

對于整個(gè)小火車系統(tǒng)（包含線圈）對外是沒有機(jī)械功率輸出的，機(jī)械16

17小火車的整個(gè)系統(tǒng)也相當(dāng)于一個(gè)線性電機(jī)（直線電機(jī)）。螺旋線圈相當(dāng)于電機(jī)定子（初級(jí)），電池和磁鐵相當(dāng)于電機(jī)轉(zhuǎn)子（次級(jí)）?？梢钥闯梢慌_(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開，并展成平面而成。小火車的運(yùn)行就相當(dāng)于一臺(tái)無負(fù)載的直線電機(jī)運(yùn)行。它的功率因素也和直線電機(jī)類似。自然也和普通的電機(jī)類似。小火車的整個(gè)系統(tǒng)也相當(dāng)于一個(gè)線性電機(jī)（直線電機(jī)）。螺旋線圈相18從微觀上分析系統(tǒng)受力：對磁體：近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，組成分子或原子中的電子，不僅存在繞原子核的軌道運(yùn)動(dòng)，還存在自旋運(yùn)動(dòng)。這兩種運(yùn)動(dòng)都能產(chǎn)生磁效應(yīng)，把分子或原子看成一個(gè)整體，分子或原子中各電子對外界產(chǎn)生的磁效應(yīng)的總和，可等效于一個(gè)圓電流，稱為分子電流。這種分子電流的磁矩稱為分子磁矩，在忽略原子核中質(zhì)子和中子自旋磁矩后，實(shí)際上它是電子的軌道磁矩和電子自旋磁矩的矢量和。當(dāng)物體中的這些分子電流有了一定規(guī)律，不再雜亂無章就從宏觀上表現(xiàn)出磁性從微觀上分析系統(tǒng)受力：當(dāng)物體中的這些分子電流有了一定規(guī)律，不19電磁相互作用的本質(zhì)是發(fā)生在電荷之間的，因此小火車的受力運(yùn)動(dòng)可以從電荷受力情況上來分析。先考慮扁圓住磁鐵內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后把它看成在螺旋線圈所產(chǎn)生的磁場中的電荷運(yùn)動(dòng)受力（洛倫茲力）情況?？梢苑治銮懊鎸?shí)驗(yàn)為何磁鐵受力在螺旋線圈兩端，而中部沒有受力運(yùn)動(dòng)趨勢

螺旋線圈中部磁感線近似