電磁小火車原理理論分析課件

電磁小火車實驗上海第二工業(yè)大學(xué)15光電A1:桂進雄電磁小火車實驗1研究步驟：（1）實驗材料選擇及要求（2）實驗裝置制作方法及要求（3）實驗預(yù)先探究（4）電路原理分析（5）實驗操作及現(xiàn)象（6）動力原理分析（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)表達式推導(dǎo)研究步驟：2實驗材料：1.5V干電池一節(jié)

細銅線

扁圓住狀銣鐵硼磁鐵石兩個實驗材料：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驗螺旋線圈。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實驗問題探究：系統(tǒng)動力從何而來？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)線制作一個簡易的螺旋管，然后用一個帶孔的磁鐵（磁極為正反兩面）套在一個光滑棒上伸入螺線管內(nèi)，然后通電，滑動磁鐵在螺線管中的位置探究磁鐵受力情況。實驗問題探究：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動趨勢。探究發(fā)現(xiàn)：6再次用電池磁鐵組成的系統(tǒng)做預(yù)先實驗：調(diào)整磁鐵方向，以及改變電流方向探究小火車受力情況。實驗現(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動方向有關(guān)；電流方向也與小火車的運動方向有關(guān)；再次用電池磁鐵組成的系統(tǒng)做預(yù)先實驗：實驗現(xiàn)象：7進行實驗并對實驗現(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實驗現(xiàn)象：小火車動了起來，并發(fā)現(xiàn)運動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，那么這個小火車就有一個固定的車頭，電池正極或負極）。實驗分析：調(diào)換火車頭時。相對電池：調(diào)換了正負極，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極實驗現(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磁鐵，可以簡單的認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條形磁鐵，電池兩端的磁鐵就分別與這個條形磁鐵兩端相吸引和相排斥，然后這兩個力朝向同一個方向構(gòu)成一個合力推動小火車前行。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，這個合力的大小就取決于兩者的磁場強度。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。從運動學(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的磁場強度等于各匝線圈在該點產(chǎn)生磁感應(yīng)強度的矢量和。

進一步的理論分析：

13微觀動力原理及微觀電學(xué)分析：在小火車啟動的瞬間（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）。此時洛倫茲力不會影響電流，只是從宏觀上表現(xiàn)出安培力，這個安培力的反作用力也就是小火車的動力。此刻電路為純電阻電路。小火車啟動后，載流粒子又有了一個沿x軸方向的速度，這個速度產(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有一個磁場分量過原點垂直于xoy面，從而也有一個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小火車的運動導(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，從而使動力減弱，直到與摩擦力相等達到勻速運動。這個影響電流的洛倫茲力也就形成了一個反電動勢與外部電壓相消達到減弱電流的作用。我們通過如下實驗來證明反電動勢的存在，于是根據(jù)這個理論列出相關(guān)表達式。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。小火車的運動導(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對于整個小火車系統(tǒng)（包含線圈）對外是沒有機械功率輸出的，機械功率是電池和磁鐵相對于線圈來說的。E=BLv=kvF=BLI=kI

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

17小火車的整個系統(tǒng)也相當(dāng)于一個線性電機（直線電機）。螺旋線圈相當(dāng)于電機定子（初級），電池和磁鐵相當(dāng)于電機轉(zhuǎn)子（次級）。可以看成一臺旋轉(zhuǎn)電機按徑向剖開，并展成平面而成。小火車的運行就相當(dāng)于一臺無負載的直線電機運行。它的功率因素也和直線電機類似。自然也和普通的電機類似。小火車的整個系統(tǒng)也相當(dāng)于一個線性電機（直線電機）。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)實驗表明，組成分子或原子中的電子，不僅存在繞原子核的軌道運動，還存在自旋運動。這兩種運動都能產(chǎn)生磁效應(yīng)，把分子或原子看成一個整體，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動可以從電荷受力情況上來分析。先考慮扁圓住磁鐵內(nèi)部的電子運動規(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動受力（洛倫茲力）情況?？梢苑治銮懊鎸嶒灋楹未盆F受力在螺旋線圈兩端，而中部沒有受力運動趨勢

螺旋線圈中部磁感線近似