電磁驅(qū)動器的設(shè)計(jì)與分析

哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文-PAGEII-電磁驅(qū)動器的設(shè)計(jì)與分析摘要隨著電磁驅(qū)動的發(fā)展，電磁驅(qū)動已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)在的各行各業(yè)。小到孩童時(shí)代的四驅(qū)車馬達(dá)，大到工業(yè)應(yīng)用的驅(qū)動裝置，電磁驅(qū)動越來越被人們所重視。電磁驅(qū)動之所以被人們所關(guān)注，也是主要由于其動能轉(zhuǎn)化的機(jī)械低磨損率，機(jī)械磨損率的降低，一方面可以有效地降低工業(yè)設(shè)備維護(hù)的成本，一方面也有效地控制動能轉(zhuǎn)化的效率。而且電磁驅(qū)動作為一個(gè)新能源，其低碳的理念也和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略緊扣。因此，電磁驅(qū)動的發(fā)展是一個(gè)順應(yīng)潮流的趨勢。本文主要介紹了電動機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，電磁學(xué)的發(fā)展歷程，進(jìn)而延伸到一些基本的電磁學(xué)現(xiàn)象，從而了解電磁驅(qū)動器的工作原理以及由電磁驅(qū)動原理而來的一些技術(shù)應(yīng)用，最后制作一個(gè)電磁驅(qū)動演示儀用來進(jìn)行電磁驅(qū)動相關(guān)的數(shù)據(jù)收集。關(guān)鍵詞電磁驅(qū)動；感應(yīng)電機(jī)；電磁學(xué)ThedesignandanalysisofelectromagneticactuatorAbstractAlongwiththedevelopmentofelectromagneticdriving,electromagneticdrivehasbeenappliedtoallwalksoflife.Fourdrivemotors,thesizeofsmalltochildhood,totheindustrialapplicationofactuatingdevice,electromagneticdrivebecomesmoreandmoreimportantforpeople.Electromagneticdrivehavebeenattentionbypeople,ismainlybecauseofitskineticenergyintomechanicallowwearrate,therateofmechanicalwearisreduced,ontheonehandcaneffectivelyreducethecostofindustrialequipmentmaintenance,ontheonehand,alsoeffectivelycontrolthekineticenergyconversionefficiency.Andelectromagneticdriveasanewenergy,itslowcarbonconceptandstrategyofsustainabledevelopmentalsoclosely.Therefore,thedevelopmentofelectromagneticdriveisasuitthetrendofthetrend.Developmentpresentsituationathomeandabroad,thisarticlemainlyintroducedthemotordevelopmentofelectromagnetism,whichextendstosomeofthebasicelectromagneticphenomenon,soastounderstandtheworkingprincipleofelectromagneticdriveanddrivenbyelectromagneticprincipleandsometechnicalapplication,andfinallymakeaelectromagneticdrivedemonstrationinstrumentusedforelectromagneticdriverelateddatacollectionandanalysis.Keywordselectromagneticdrive，Inductionmotor，electromagnetism目錄TOC\o"1-9"\h\u摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1引言 11.2本文研究的內(nèi)容 11.3研究的創(chuàng)新點(diǎn) 11.4本文篇章結(jié)構(gòu) 2第2章國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 32.1電磁學(xué)理論的發(fā)展 32.2國內(nèi)外電磁驅(qū)動的技術(shù)應(yīng)用 32.2.1感應(yīng)電機(jī) 32.2.2電磁驅(qū)動泵 42.2.3磁懸浮列車 4第3章電磁驅(qū)動器的分析 63.1靜電場 63.1.1庫倫定律 63.1.2電場 63.2磁場 73.2.1奧斯特實(shí)驗(yàn) 83.2.2安培環(huán)路定理 93.2.3通電螺線管上的磁場 93.2.4載流線圈的磁場 103.2.5電磁感應(yīng)現(xiàn)象 103.2.6楞次定律 123.3塞曼效應(yīng) 133.3.1正常塞曼效應(yīng) 133.3.2反常塞曼效應(yīng) 143.4電磁波 153.4.1麥克斯韋方程組 153.4.2平面電磁波 163.4.3可見光(光波) 173.5電磁驅(qū)動器工作過程的分析 193.5.1物理原理 193.5.2演示實(shí)驗(yàn)的物理現(xiàn)象 20第4章電磁驅(qū)動演示儀的制作 214.1電磁驅(qū)動演示儀前期調(diào)研 214.2項(xiàng)目研究內(nèi)容 224.3演示儀器的制作過程 224.4創(chuàng)新設(shè)計(jì) 224.5存在的問題及解決辦法 23結(jié)論 24致謝 25參考文獻(xiàn) 26附錄 27附錄A電磁驅(qū)動演示儀概述 27附錄B英文文獻(xiàn)翻譯 29-PAGE1-緒論引言隨著電磁驅(qū)動的發(fā)展，電磁驅(qū)動已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)在的各行各業(yè)。小到孩童時(shí)代的四驅(qū)車馬達(dá)，大到工業(yè)應(yīng)用的驅(qū)動裝置，電磁驅(qū)動越來越被人們所重視。電磁驅(qū)動之所以被人們所關(guān)注，也是主要由于其動能轉(zhuǎn)化的機(jī)械低磨損率，機(jī)械磨損率的降低，一方面可以有效地降低工業(yè)設(shè)備維護(hù)的成本，一方面也有效地控制動能轉(zhuǎn)化的效率。而且電磁驅(qū)動作為一個(gè)新能源，其低碳的理念也和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略緊扣。因此，電磁驅(qū)動的發(fā)展是一個(gè)順應(yīng)潮流的趨勢。對于電磁驅(qū)動的研究不在少數(shù)，很多人針對電磁驅(qū)動都做了相關(guān)的研究，包括電磁線圈的溫度對電磁驅(qū)動的影響，電磁驅(qū)動材料對電磁驅(qū)動的影響，以及電磁驅(qū)動裝置的散熱解決方案等等。其中，周志廣在《電磁驅(qū)動器冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》中提到“工作時(shí),驅(qū)動線圈內(nèi)過高溫升會降低線圈的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣材料的絕緣性能,影響其使用壽命,甚至?xí)龤Ь€圈。因此，在電磁驅(qū)動器研究過程中,必須關(guān)注驅(qū)動線圈的冷卻問題?！闭f明了電磁驅(qū)動線圈溫度的變化是會影響到電磁驅(qū)動性能的，過高的溫度會降低線圈的機(jī)械強(qiáng)度，降低其使用壽命，我們需要探究的是線圈溫度的變化對于電磁驅(qū)動器動能轉(zhuǎn)化率的影響。另外，張琦也在《連鑄空心管坯內(nèi)置磁場攪拌器的優(yōu)化設(shè)計(jì)》中提到“相比兩相繞組，采用三相繞組的電磁攪拌器能效更高；磁軛結(jié)構(gòu)對攪拌器的作用效果影響顯著，為提高金屬液所受電磁力應(yīng)使磁軛的齒部尺寸盡量小些，但若尺寸太小會使磁軛飽和，影響磁軛的使用壽命；電流強(qiáng)度越大則金屬液內(nèi)的流速越大，電流強(qiáng)度與金屬液流速呈線性變化，而電流頻率與金屬液流速呈非線性變化，電流強(qiáng)度對金屬液流動的影響要大于電流頻率。”說明磁扼結(jié)構(gòu)的改變還會影響電磁驅(qū)動的效率。本文研究的內(nèi)容為了了解影響電磁驅(qū)動轉(zhuǎn)化效率的因素，從而進(jìn)行電磁驅(qū)動器的設(shè)計(jì)，本文著重探究圓盤的材料變化（Al、Cu、Fe等）或者圓盤與磁鐵間的距離變化以及磁鐵旋轉(zhuǎn)的速率變化對電磁驅(qū)動器動能轉(zhuǎn)化率的影響。討論影響電磁驅(qū)動器動能轉(zhuǎn)化率的主要因素，探討如何減小各因素的影響，為電磁驅(qū)動器的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。研究的創(chuàng)新點(diǎn)電磁學(xué)是本科生學(xué)習(xí)中較為復(fù)雜的一門學(xué)科之一，電磁驅(qū)動器作為電磁學(xué)理論發(fā)展中的一個(gè)產(chǎn)物，其工作原理也較難以理解，因此要對電磁驅(qū)動器進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)有著較大的難度。此次研究電磁驅(qū)動器，采取了先分析再制作最后再分析的方法，即首先通過參考文獻(xiàn)、相關(guān)書籍等進(jìn)行電磁驅(qū)動器工作原理的分析，再通過電磁驅(qū)動器的工作原理制作一個(gè)簡易電磁驅(qū)動演示儀，并利用其進(jìn)行所需數(shù)據(jù)的收集，最后再次分析利用電磁驅(qū)動演示儀收集的數(shù)據(jù)最終了解影響電磁驅(qū)動器轉(zhuǎn)化效率的因素，并為電磁驅(qū)動器的設(shè)計(jì)提供了充足的理論依據(jù)。本文篇章結(jié)構(gòu)本文篇章結(jié)構(gòu)如下：在下文章節(jié)二中，將介紹國內(nèi)外電磁驅(qū)動器研究現(xiàn)狀，包括電磁學(xué)理論的發(fā)展，國內(nèi)外電磁驅(qū)動原理的技術(shù)應(yīng)用以及感應(yīng)電動機(jī)的研究現(xiàn)狀。在章節(jié)三中，將詳細(xì)介紹電磁學(xué)的一些基本理論和著名的電磁學(xué)定律以及電磁驅(qū)動器的工作原理并結(jié)合電磁學(xué)的基本定律對電磁驅(qū)動器的工作原理加以分析。在章節(jié)四中，將介紹電磁驅(qū)動演示儀的制作流程并利用其做一系列的相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，最后結(jié)合電磁學(xué)定律對收集到的數(shù)據(jù)加以分析。文章的最后是參考文獻(xiàn)和附錄。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀電磁學(xué)理論的發(fā)展19世紀(jì)是科學(xué)時(shí)代的開始。在天文學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家們開始論及太陽系的起源和演化。在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域，英國的地質(zhì)學(xué)家賴爾提出地質(zhì)漸變理論。在生物學(xué)領(lǐng)域，細(xì)胞學(xué)說、生物進(jìn)化論，孟德爾的遺傳規(guī)律相繼被發(fā)現(xiàn)。在化學(xué)領(lǐng)域，原子-分子論被科學(xué)肯定；拉瓦錫推翻了燃素說，并成為發(fā)現(xiàn)質(zhì)量守恒定律的第一人；1869年，俄國化學(xué)家門捷列夫發(fā)表了元素周期律的圖表和《元素屬性和原子量的關(guān)系》的論文。在文中，門捷列夫預(yù)言了十一種未知元素的存在，并在以后被一一證實(shí)。十九世紀(jì)最重大的科學(xué)成就是電磁學(xué)理論的建立和發(fā)展。在19世紀(jì)之前，人們基本上認(rèn)為電與磁是兩種不同現(xiàn)象，但人們也發(fā)現(xiàn)兩者之間可能會存在某種聯(lián)系，因?yàn)樗謧儾恢挂淮慰吹?，打雷時(shí)羅盤上的磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。1820年7月，丹麥教授奧斯特通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電與磁的相互作用，他指出磁針的指向同電流的方向有關(guān)。這說明自然界除了沿物體中心線起作用的力以外，還存在著旋轉(zhuǎn)力，而這種旋轉(zhuǎn)力是牛頓力學(xué)所無法解釋的，這樣，一門新學(xué)科——電磁學(xué)誕生了。奧斯特的發(fā)現(xiàn)震動了物理學(xué)界，科學(xué)家們紛紛做各種實(shí)驗(yàn)，力求搞清電與磁的關(guān)系。法國的安培提出了電動力學(xué)理論。英國化學(xué)家、物理學(xué)家法拉第于1831年總結(jié)出電磁感應(yīng)定律，1845年他還發(fā)現(xiàn)了“磁光效應(yīng)”，播下了電、磁、光統(tǒng)一理論的種子。但法拉弟的學(xué)說都是用直觀的形式表達(dá)的，缺少精確的數(shù)學(xué)語言。后來，英國物理學(xué)家麥克斯韋克服了這一缺點(diǎn)，他于1865年根據(jù)庫侖定律、安培力公式、電磁感應(yīng)定律等經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，運(yùn)用矢量分析的數(shù)學(xué)手段，提出了真空中的電磁場方程。以后，麥克斯韋又推導(dǎo)出電磁場的波動方程，還從波動方程中推論出電磁波的傳播速度剛好等于光速，并預(yù)言光也是一種電磁波。這就把電、磁、光統(tǒng)一起來了，這是繼牛頓力學(xué)以后又一次對自然規(guī)律的理論性概括和綜合。國內(nèi)外電磁驅(qū)動的技術(shù)應(yīng)用隨著電磁學(xué)的理論發(fā)展，以及全球的能源危機(jī)意識，電磁驅(qū)動漸漸為人們所重視，國內(nèi)外已經(jīng)存在許多應(yīng)用電磁驅(qū)動原理技術(shù)的驅(qū)動和傳動裝置。感應(yīng)電機(jī)感應(yīng)電機(jī)（InductionMotor）定轉(zhuǎn)子之間靠電磁感應(yīng)作用，在轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)電流以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)一般用作電動機(jī)。感應(yīng)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，價(jià)格便宜，運(yùn)行方便；缺點(diǎn)是功率因數(shù)滯后，輕載功率因數(shù)低，調(diào)速性能稍差。感應(yīng)電機(jī)是異步電機(jī)的一種，由于異步電機(jī)主要是感應(yīng)電機(jī)，所以也有人直接在定義時(shí)候?qū)惒诫姍C(jī)定義為感應(yīng)電機(jī)。但異步電機(jī)不僅包括感應(yīng)電機(jī)還包括雙饋異步電機(jī)和交流換向器電機(jī)。電磁驅(qū)動泵在電動機(jī)或柴油機(jī)驅(qū)動的往復(fù)式泵中，由于電動機(jī)或柴油機(jī)均為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，為了將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為往復(fù)運(yùn)動，在泵的傳動部分均需要有一套運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，常用的有：曲柄連桿機(jī)構(gòu)、偏心凸輪機(jī)構(gòu)等。由于這類傳動機(jī)構(gòu)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也就使往復(fù)式泵的體積增大、易損件數(shù)量多，生產(chǎn)成本增加，并需要較高的制造精度，這在很大程度上限制了往復(fù)泵的適用范圍。泵的組成可簡單地分為三大部分：驅(qū)動電源液力端和電磁線圈。泵的工作原理為：電磁線圈通電后產(chǎn)生電磁場，該磁場通過泵外殼與銜鐵（銜鐵同時(shí)又起柱塞的作用）產(chǎn)生電磁回路，在泵的排出行程時(shí)，電磁回路是逐步封閉，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。由于銜鐵與外殼端面之間存在間隙，使得銜鐵與端面產(chǎn)生電磁力，從而使兩者吸合，吸合的過程也就是泵的排出過程。當(dāng)電源斷開后，彈簧的彈力使銜鐵復(fù)位，此過程為泵的吸入過程。由于此泵的電源為脈沖電源，電磁線圈的連續(xù)通電和斷電，就會使銜鐵在泵中帶動柱塞作往復(fù)直線運(yùn)動。磁懸浮列車在電磁學(xué)中當(dāng)通給兩個(gè)相互平行的線圈相互平行的電流時(shí)就相互吸引，圖2-1磁懸浮列車電流方向相反時(shí)就互相排斥，系懸浮列車就是將通有方向相反的線圈來減小阻力達(dá)到提高速度效果的。將不同方向線圈裝在軌道和列車上，列車就會懸浮起來，同樣，在列車和軌道的適當(dāng)位置分別安裝許多對電流方向相同的線圈，由于互相吸引，就能使列車前進(jìn)。磁懸浮列車就是根據(jù)這樣一個(gè)簡單的電磁學(xué)原理設(shè)計(jì)而成的。下圖就是形式中的磁懸浮列車：如圖2-1，磁懸浮列車是目前世界上技術(shù)最先進(jìn)并且己經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段的新型列車，與普通高速列車相比具有許多優(yōu)越性：第一，速度比普通列車高很多，度速可達(dá)500km/h以上，而且預(yù)想在真空隧道中運(yùn)行的磁懸浮列車速度可達(dá)到1600km/h。第二，消耗能量較低。原因主要就在于它是懸浮著，只存在與空氣間的摩擦。而且因無輪軌接觸，震動較小，舒適性好。第三，噪音很低，（只有當(dāng)速度達(dá)到200km/h以上時(shí)，才會產(chǎn)生與空氣摩擦的輕微噪音）。第四，安全系數(shù)高。它的車廂下端像伸出了兩排彎曲的胳膊，將路軌緊緊摟住，絕對不可能出軌。列車運(yùn)行的動力來自固定在路軌兩則的電磁流，同一區(qū)域內(nèi)的電磁流強(qiáng)度相同，不可能出現(xiàn)幾輛列車速度不同或相向而動的現(xiàn)象，從而排除了列車追尾或相撞的可能。列車的整個(gè)安全系統(tǒng)可以相互檢測，自動替補(bǔ)，這在其它交通工具是不具備的，因而它是一種高安全度的交通工具。盡管磁懸浮列車技術(shù)有上述的許多優(yōu)點(diǎn)，但仍然存在一些不足：特別是斷電后的安全保障和制動問題。其高速穩(wěn)定性和可靠性還需很長時(shí)間的運(yùn)行考驗(yàn)。電磁驅(qū)動器的分析靜電場欲從電學(xué)中找到電磁學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，首先我們得先從電現(xiàn)象入手，找到電學(xué)中動力學(xué)關(guān)系和磁動力關(guān)系就不難知道電與磁之間存在著怎么的關(guān)系。庫倫定律讓我們認(rèn)識一下庫倫定律，了解兩點(diǎn)電荷之間的關(guān)系，如圖3-1庫侖定律：圖3-1庫侖定律是電磁場理論的基本定律之一。真空中兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷之間的作用力與這兩個(gè)電荷所帶電量的乘積成正比，和它們距離的平方成反比，作用力的方向沿著這兩個(gè)點(diǎn)電荷的連線,同名電荷相斥，異名電荷相吸。公式： （3-1）其中F是兩點(diǎn)電荷之間所受的庫倫力，k是比例常數(shù)，q1、q2分別代表兩點(diǎn)電荷所帶的電荷量，r是兩點(diǎn)電荷的距離。電場在很多沒有直接接觸的力現(xiàn)象中力的相互作用需要有介質(zhì)的存在，例如馬拉車，馬能拉動車肯定少不了繩子的存在，只有將馬和馬車栓在一起才能使馬在奔跑中帶動馬車。再如聲音的傳播，我們聊天時(shí)雖然對方并沒有將聲帶直接貼在我們的耳朵上，但我們能聽到對方的聲音，這是因?yàn)橛锌諝饨橘|(zhì)的存在。加入我們生活的空間沒有空氣的存在，那么所謂的聊天只能看到對方嘴唇的動作，并不能聽到聲音……但剛才說過的例子中q1、q2明顯沒有直接接觸，又似乎沒有介質(zhì)的存在，那么q1、q2之間存在的庫倫力又是怎樣傳遞的呢？歷史上對這個(gè)問題有很多爭論，一類人認(rèn)為這種力并不需要介質(zhì)的存在就可以之間傳遞，甚至更不需要時(shí)間，不受時(shí)間的限制，力的作用就能從一個(gè)物體直接傳遞到另一個(gè)物體上。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為空間中存在著科學(xué)家還未發(fā)現(xiàn)的彈性物質(zhì)——“以太”，電場力就是通過“以太”來傳遞的。這些觀點(diǎn)都被近代物理學(xué)家所否認(rèn)并引入電場。而且還將點(diǎn)電荷在電場中受到的力F與電荷量q0的比值稱為電場強(qiáng)度，用字母E來表示：（3-2）如圖3-2，以下是幾種電荷模型的電場分布：正點(diǎn)電荷負(fù)點(diǎn)電荷等量異種電荷圖3-2電荷模型電場分布磁場如圖3-3，我們現(xiàn)在先來看看以下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：圖3-3實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象本實(shí)驗(yàn)的原理圖如上圖所示，其中深黑色的直導(dǎo)線是原來的導(dǎo)線，就是還沒通電時(shí)的導(dǎo)線，灰色的導(dǎo)線是通有電流后導(dǎo)線原導(dǎo)線移動的位置。如上圖，在導(dǎo)線中通有電流大小為I的電流，這樣導(dǎo)線的位置就會發(fā)生改變，當(dāng)電流的方向時(shí)導(dǎo)線互相吸引，電流方向相反時(shí)導(dǎo)線互相排斥，牛頓第二定律告訴我們，當(dāng)物體狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)肯定要受到外力的作用，導(dǎo)線從原來的靜止?fàn)顟B(tài)開始運(yùn)動，使得導(dǎo)線的形狀發(fā)生改變，這說明導(dǎo)線受到力的作用，問題就產(chǎn)生了，導(dǎo)線明顯受到了力的作用，那通電導(dǎo)線中相互間的作用力從何而來？以下將對這個(gè)問題進(jìn)行簡易的解釋。奧斯特實(shí)驗(yàn)庫倫定律說明了兩點(diǎn)電荷之間存在著相互作用，在這基礎(chǔ)上物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)帶電物體接觸磁場時(shí)也能產(chǎn)生力的作用，說到這就少不了說奧斯特實(shí)驗(yàn)了，奧斯特實(shí)驗(yàn)說明了通電導(dǎo)線與磁性物質(zhì)之間存在著力的作用，奧斯特是丹麥的科學(xué)家，他在1820年4月的一節(jié)課中，他講授了電與磁的課程，他做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)中無意發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象：通電鉑絲擾動玻璃罩內(nèi)的指南針，雖然效應(yīng)很弱，看上去也很不規(guī)則，但奧斯特卻對這種無意間發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象產(chǎn)生濃厚的興趣，在課后他進(jìn)行了大量的電池反復(fù)做了同樣的實(shí)驗(yàn)對自己的假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證。奧斯特在做實(shí)驗(yàn)時(shí)還在磁針與導(dǎo)線間放入玻璃、金屬、木頭等物質(zhì)，然而磁針的偏轉(zhuǎn)并不因此減弱或者消失[8]。他的實(shí)驗(yàn)可以如下概述：導(dǎo)線中通有大小為I的電流，在導(dǎo)線旁放一個(gè)小磁針，眾所周知磁針在地磁場的作用下沿南北取向，但磁針在電流的作用下會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，說明磁針與導(dǎo)線間存在著力的作用。當(dāng)斷開電源時(shí)磁針重新南北指向，這個(gè)實(shí)驗(yàn)中的單一變量是導(dǎo)體是否通電，這樣我們就能很明確的得到一個(gè)結(jié)論：通電導(dǎo)體對磁性物質(zhì)有力的作用。這樣就能說明通電導(dǎo)體不僅能產(chǎn)生電場，它也能產(chǎn)磁性質(zhì)，并又此產(chǎn)生的磁場使奧斯特實(shí)驗(yàn)中的磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。也像電荷一樣奧斯特實(shí)驗(yàn)中通電導(dǎo)線和磁針之間并沒有直接的接觸，他們之間又是以什么形式傳遞力的作用呢？與電荷之間的作用力一樣，磁性物質(zhì)周圍也存在場的性質(zhì)，所以物理學(xué)家引入的磁場的概念，并以字母B代表磁場強(qiáng)度。這樣就不難解釋圖二所示實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的現(xiàn)象，通電導(dǎo)線能產(chǎn)生磁場，實(shí)驗(yàn)中兩導(dǎo)線所通電流方向相同時(shí)產(chǎn)生的磁場使得兩導(dǎo)線互相吸引，相反當(dāng)電流的方向相反時(shí)產(chǎn)生的磁場使得兩導(dǎo)線互相排斥，圖二中的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)就是因?yàn)閷?dǎo)線通的電流相同導(dǎo)線互相吸引，最后出現(xiàn)的現(xiàn)象必然是兩導(dǎo)線同時(shí)向內(nèi)彎曲，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)磁場間的相互作用使得導(dǎo)向向外彎曲！安培環(huán)路定理由奧斯特實(shí)驗(yàn)得到了驚人的結(jié)論，那么通電導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場又是怎樣的呢？這個(gè)問題我們讓安培我們解答：安培知道奧斯特的發(fā)現(xiàn)時(shí)非常驚訝，他注意到了這個(gè)發(fā)現(xiàn)的重要性，立刻對電流間的作用進(jìn)行了精密的研究，他發(fā)現(xiàn)圖3-3所示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，他便由此猜想到所有的磁性都能用電流置換。隨后安培便花了大量的時(shí)間研究導(dǎo)體中電流所產(chǎn)生磁場的性質(zhì)。這里我們?nèi)『唵蔚囊粋€(gè)種模型（通電直導(dǎo)線）為例，許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)了通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場如圖。圖3-4安培環(huán)路定理如圖3-4就是安培環(huán)路定理，磁場的方向應(yīng)服從右手螺旋定則：手握導(dǎo)線，大拇指指向電流方向，那么其余四個(gè)手指的環(huán)繞方向就是磁場的方向，而且在這種簡單的模型中產(chǎn)生磁場的強(qiáng)度還滿足公式：（3-3）通電螺線管上的磁場現(xiàn)在我們來討論一下通電螺線管，我記得初中我們學(xué)到電磁感應(yīng)現(xiàn)象的時(shí)候就是通過通電螺線管來說明的，下圖就是一個(gè)通電螺線管：圖3-5通電螺線管上的磁場根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的原理，我們不難理解通電螺線管周圍會有磁場的存在，如圖3-5在軟鐵上繞有導(dǎo)線，并在導(dǎo)線中通有電流大小為I的電流，在螺線管中磁場的方向同樣服從右手定則，將右手的四個(gè)手指彎曲并指向電流環(huán)繞的方向，那樣大拇指所指向的方向就是磁場的方向。當(dāng)然在這種情況中如果要求場強(qiáng)的大小還需知道軟鐵的性質(zhì)，本文不在這里做解釋。載流線圈的磁場下面我們來看看通電線圈中磁場的方向是如何的，下面是通電導(dǎo)線圈的模型：圖3-6載流線圈的磁場如圖3-6，導(dǎo)線圈中通有電流的大小為I，這種模型服從右手螺旋定則，將右手的四只手指指向電流方向沿線圈環(huán)繞，右手大拇指伸直，大拇指指向的方向就是磁場的方向，上圖模型的磁場方向如上圖所示。這種情可以當(dāng)做簡單的通電螺線管來理解，通電螺線管中線圈的匝數(shù)較多，而本模型中可以認(rèn)為是線圈匝數(shù)為一的通電螺線管。電磁感應(yīng)現(xiàn)象上述內(nèi)容能很清楚的知道通電導(dǎo)體能產(chǎn)生磁場，我們能不能根據(jù)以上結(jié)論做一個(gè)假設(shè)呢？我們假設(shè)磁場也可能產(chǎn)生電流或者電動勢。帶著這個(gè)問題我們訪問法拉第任何認(rèn)識這個(gè)問題的。法拉第是英國著名的物理學(xué)家和化學(xué)家。他發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，這在物理學(xué)上起著很重要的作用。電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指放在變化磁通量中的導(dǎo)體，會產(chǎn)生電動勢。此電動勢稱為感應(yīng)電動勢或者感生電動勢，若將此導(dǎo)體閉合成一回路，則該電動勢會驅(qū)使電子流動，形成感應(yīng)電流（感生電流）。電磁感應(yīng)現(xiàn)象不止揭示了電與磁的內(nèi)在聯(lián)系，而且為電與磁之間的相互轉(zhuǎn)化奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。以下為感生電動勢的普適公式。（3-4）其中E代表的是感應(yīng)電動勢，n是螺線管的匝數(shù)，是磁通量的改變量，是時(shí)間的改變量。其中螺線管中的電流方向我們可以根據(jù)右手螺旋定則將其判斷出來：將右手握住螺線管并使得右手的大拇指向磁場的方向，那么四肢手指環(huán)繞的方向就是電流的流向。電磁感應(yīng)現(xiàn)象告訴我們變化磁場中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，坦若我們所選擇的導(dǎo)體是一個(gè)閉合回路，所產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向又該是如何呢？讓我們做一下這個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理圖如下圖所示：圖3-7示意圖其中ABCD是閉合回路，AB間接有一個(gè)靈敏電流表，CD是靈活邊，并以（可變化）的速度向右運(yùn)動，勻強(qiáng)磁場的方向大小也如圖所示。當(dāng)=0的時(shí)候靈敏電流表沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)不等于0的時(shí)候電流表發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即在閉合線圈ABCD中產(chǎn)生感應(yīng)電流。CD邊滑動得越快，靈敏電流表的偏轉(zhuǎn)角度也越大，即感應(yīng)電流越大。當(dāng)CD邊朝反向運(yùn)動時(shí)，感應(yīng)電流的方向也相反。大量的實(shí)驗(yàn)同樣驗(yàn)證著導(dǎo)線切割磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向必服從左手定則，將左手?jǐn)傞_大拇指指著導(dǎo)線的運(yùn)動方向，讓磁感線穿過手心，四個(gè)手指所指的方向就是感應(yīng)電流的方向。前面我們所接觸到的式3-2是在特殊情況下才能適用，但在一般情況下必須使用普適方程：(3-5)楞次定律說到感應(yīng)電流的方向就少不了介紹楞次定律的介紹：圖3-8楞次定律如圖3-8，是把磁棒的N極插入線圈和從線圈中拔出的實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向也標(biāo)在圖中。作圖所示是將磁棒插入線圈的情況，磁棒的感應(yīng)線方向朝下，很明顯的當(dāng)磁棒插入過程中的向下的磁通量增加。根據(jù)右手定則可知，這時(shí)感應(yīng)電流所激發(fā)的磁場方向朝上，其作用相當(dāng)于阻礙磁通量的增加。在右圖所示的N極拔出的情況中，穿過線圈向下的磁通量明顯減少，而這時(shí)感應(yīng)電流所激發(fā)的磁場的方向是向下的，其作用相當(dāng)于阻礙磁通量的減少，在其他實(shí)驗(yàn)中也可以發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律，所以我們可以得到這樣的結(jié)論：閉合回路中的感應(yīng)電流的方向，總是使得它所激發(fā)的磁場來阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。這個(gè)結(jié)論叫做楞次定律。在以上導(dǎo)體切割磁感線的實(shí)驗(yàn)中，我們也能用楞次定律來判斷出感應(yīng)電流的方向。圖3-9楞次運(yùn)動如圖3-9，當(dāng)CD的速度=0時(shí)，由于磁場是一定的，所以這種情況下沒有磁通量的變化，這樣靈敏電流表自然不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因?yàn)闆]有感應(yīng)電流的產(chǎn)生，不等于0卻CD向右運(yùn)動時(shí)，閉合回路中垂直紙面向上的磁通量不斷增加，根據(jù)楞次定律閉合回路ABCD所產(chǎn)生的感應(yīng)電流必然要激發(fā)垂直紙面向里的磁通量來阻礙磁通量的變化，這與左手定則相吻合。同樣，當(dāng)CD向左運(yùn)動時(shí)，垂直紙面向外的磁通量不斷減少，由此產(chǎn)生的感應(yīng)電流也激發(fā)垂直紙面向里的磁通量來阻礙磁通量的變化。塞曼效應(yīng)正常塞曼效應(yīng)圖3-10塞曼效應(yīng)電子的發(fā)現(xiàn)，使電磁學(xué)和原子與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論結(jié)合了起來，洛倫慈的電子論把物質(zhì)的宏觀電磁性質(zhì)歸結(jié)為原子中電子的效應(yīng)，統(tǒng)一地解釋了電、磁、光現(xiàn)象。洛倫茲認(rèn)為電具有“原子性”，電的本身是由微小的實(shí)體組成的，后來這些微小的實(shí)體被稱為電子，他以電子的概念為基礎(chǔ)來解釋物質(zhì)的電性質(zhì)，從電子論推導(dǎo)出運(yùn)動電荷在磁場中要受到力的作用，既洛倫茲力。他把物體的發(fā)光解釋成原子內(nèi)部電子的震動產(chǎn)生的，所以當(dāng)光源放在磁場中時(shí)，光源的原子內(nèi)電子的震動將發(fā)生改變，使得電子的震動頻率增大或者減小，導(dǎo)致光譜線的增寬或分裂，之后洛倫茲的學(xué)生塞曼發(fā)現(xiàn)了塞曼效應(yīng)，證實(shí)了洛倫茲的預(yù)言，塞曼與洛倫茲共同獲得1902年的諾貝爾物理學(xué)獎。塞曼效應(yīng)是指磁場中的光源發(fā)出的光譜線分裂成幾條譜線的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象就是光源中的電子與磁場發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的現(xiàn)象，塞曼效應(yīng)可分為正常與非正常塞曼效應(yīng)，本文簡單介紹一下正常塞曼效應(yīng)，它指的是光源中一條譜線在外磁場的作用下一分為三，彼此間隔相等。而這種現(xiàn)象只能再原子中電子數(shù)目為偶數(shù)并形成獨(dú)態(tài)的原子時(shí)，才能有正常的塞曼效應(yīng)。在這里本文用鎘原子為例，鎘的643.847nm譜線是躍遷的結(jié)果，這里共有九個(gè)躍遷，鎘原子正常塞曼效應(yīng)的原子中的電子躍遷如下圖：如圖3-10，塞曼得到了鎘原子的三條正常塞曼效應(yīng)的譜線。（3-6）這比表明了當(dāng)一條譜線在磁場的作用下分裂成三條譜線，譜線間的間隔相等，而已這個(gè)間隔等于時(shí)的現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。反常塞曼效應(yīng)1897年12月，普雷斯頓報(bào)告說，在很多實(shí)驗(yàn)實(shí)例中，塞曼分裂的數(shù)目可以不是三個(gè)，數(shù)目也不盡相同。在以后近三十年內(nèi)，雖經(jīng)許多人的嘗試但一直未能得到很合理的解釋，從而被稱為反常塞曼效應(yīng)。后來這些疑問在電子自旋假設(shè)的提出后迎刃而解。圖3-11鈉原子的反常塞曼效應(yīng)我們現(xiàn)在來分析一下鈉主線的塞曼分裂，鈉是單電子體系，所以對原子磁矩產(chǎn)生主要貢獻(xiàn)的是單個(gè)電子，黃色雙線是2P1/2，3/22S1/2之間躍遷的結(jié)果,這就是一種反常塞曼效應(yīng)的結(jié)果。上圖為鈉原子在磁場中的反常塞曼效應(yīng)的譜線分裂圖，分裂譜線相應(yīng)的頻率為（3-7）（3-8）我們可以從圖3-11中看出：鈉D線中的5896nm譜線分裂成四條而不是三條，而且兩相臨譜線的間距是不一樣的。589nm那條譜線分列成六條，這六條譜線的間距倒是一樣的。這兩種分裂在原來譜線的位置上不再出現(xiàn)譜線，這些情況不像正常塞曼效應(yīng)所描述的。電磁波電與磁的關(guān)系已經(jīng)在上述文章中得到了充分的確立，撲嗍迷離的電磁學(xué)使得眾多物理學(xué)家對電與磁之間的關(guān)系產(chǎn)生了極大的興趣，他們也為物理學(xué)做出了杰出的貢獻(xiàn)。電磁學(xué)從原來的兩門相互獨(dú)立的兩門科學(xué)（電學(xué)和磁學(xué)）發(fā)展成為物理學(xué)中一個(gè)完整的分支學(xué)科，主要是基于兩個(gè)重要的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即電流的磁效應(yīng)和變化磁場的電效應(yīng)。這兩個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)象加上麥克斯韋關(guān)于變化電場產(chǎn)生磁場的假設(shè)，奠定了電磁學(xué)的整個(gè)理論體系，發(fā)展了對現(xiàn)代文明氣重大影響的電工和電子技術(shù)。但是電磁學(xué)的規(guī)律并非到這里就結(jié)束了，本節(jié)說道麥克斯韋公式的時(shí)候也簡單的提到了電磁波，以下將對電磁波進(jìn)行簡單的說明。麥克斯韋方程組同時(shí)磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象的這種緊密緊密聯(lián)系在一起關(guān)系不止以上想象在說明著，這種關(guān)系也可以從麥克斯韋方程中就能看出：麥克斯韋的渦旋電場和位移電流假說的核心思想是：變化的電場可以激發(fā)渦旋磁場；電場和磁場不是彼此孤立的，他們相互聯(lián)系相互激發(fā)組成一個(gè)統(tǒng)一的電磁場。麥克斯韋進(jìn)一步將電場和磁場的所有規(guī)律綜合起來，建立了完整的電磁場理論體系。這個(gè)理論體系就是所謂的麥克斯韋方程組。這樣電磁現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的關(guān)系變得更難區(qū)分開來。麥克斯韋電磁理論的重大意義，不僅在與這個(gè)理論支配著一切宏觀電磁現(xiàn)象（包括靜電、穩(wěn)恒磁場、電磁感應(yīng)、電路、電磁波等等），而且在與它將光學(xué)現(xiàn)象統(tǒng)一在這個(gè)論論框架之內(nèi)，深刻地影響著人們認(rèn)識物質(zhì)世界的思想。麥克斯韋方程組在電磁學(xué)中的地位如同牛頓運(yùn)動定律在經(jīng)典力學(xué)中的地位一樣。以麥克斯韋方程組為核心的電磁學(xué)理論，是經(jīng)典物理學(xué)最引以自豪的成就之一，它揭示了電磁相互作用的完美統(tǒng)一，給整個(gè)物理學(xué)樹立了這樣的一個(gè)信念：物質(zhì)的各種相互作用在更高層次上應(yīng)該是統(tǒng)一的。這樣，這個(gè)理論就可以廣泛的應(yīng)用到技術(shù)領(lǐng)域。麥克斯韋方程組的完美是令人震驚的，它融合了高斯定律和安培定律，也就因?yàn)檫@個(gè)方程組完美統(tǒng)一了電磁場，讓愛因斯坦始終想以同樣的方式統(tǒng)一引力場，并把宏觀與微觀兩種力整理在同一個(gè)方程組中：既著名的“大統(tǒng)一理論”。然而愛因斯坦走到人生的終點(diǎn)也沒有完成這個(gè)歷史使命。麥克斯韋方程組是麥克斯韋在十九世紀(jì)的描述電場與磁場的四個(gè)基本方程。該方程組完整的概括了電磁場的基本規(guī)律，并預(yù)言了電磁波的存在。以下方程組為麥克斯韋方程組的微分形式。（3-9）以下方程組是麥克斯韋方程組的積分形式。（3-10）電與磁之間的相互感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，使得科學(xué)走向了一個(gè)新的境界。在麥克斯韋方程組的帶領(lǐng)下科學(xué)走上了新高潮，科學(xué)開拓了新領(lǐng)域，帶著我們不斷認(rèn)識自然認(rèn)知自我[3]。平面電磁波電磁波有同相振蕩且相互垂直的電場和磁場在空間中以波的形式移動，且傳播方向總是垂直于電場和磁場構(gòu)成的平面，有效的傳遞能量和動量，其模型可見圖3-12。圖3-12電磁波結(jié)合圖3-12和麥克斯韋方程組我們可以很清楚的看出，電磁波是電磁場的一種運(yùn)動形態(tài)，變化的電場會產(chǎn)生磁場（即電流產(chǎn)生磁場），變化的磁場產(chǎn)生電場，電場與磁場的能量交替轉(zhuǎn)換使得電磁波以一定速度向外傳播，而且在真空中的傳播速度為光速c（3.0*108米/秒）。變化的磁場和變化的電場構(gòu)成了一個(gè)不可分離的電磁場，變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波，也稱為電波。電磁場是電場和磁場的相互結(jié)合體，顧名思義電磁波的傳播并不需要介質(zhì)的存在，但在介質(zhì)中傳播時(shí)同種頻率的電磁波，在不同的介質(zhì)中的傳播速度不一樣，而不同頻率的電磁波，在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，頻率越大折射率也越大，而且速度越小[7]。由于機(jī)械波與電磁波一樣都具有波粒二象性，所以電磁波也具有機(jī)械波的性質(zhì)，例如：折射、反射、散射等等。電磁波可以按照頻段分類，從低頻率到高頻率，包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線（倫琴射線）和伽馬射線等等。人眼所能接受到電磁波的頻段，波長大約在380到780nm之間，稱為可見光（將在下一節(jié)簡單介紹可見光）。只要是本身溫度大于絕對零度的物體，都可以發(fā)射電磁輻射（紅外線），所以這個(gè)世界上不存在溫度等于或者小于絕對零度的物體?？梢姽?光波)我們所見到的陽光其實(shí)是不同頻率光波的組合體，通常又按頻率將白光分成七個(gè)范圍，毛澤東詩詞中有這么一句話“赤橙黃綠青藍(lán)紫，誰持彩練當(dāng)空舞”其中的七種顏色說的就是白光中的七個(gè)范圍，不同頻率的光波給人眼的神經(jīng)的刺激是不同的，所以引起的顏色視覺也不同，這七個(gè)范圍內(nèi)的光波讓人大腦反應(yīng)出來的視覺是：紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。各種單色光的中心頻率和顏色對應(yīng)的波長如表3-1所示：表3-1可見光屬性表顏色中心頻率/Hz中心波長/n波長范圍/n紅4.5660760-622橙4.9610622-597黃5.3570597-577綠5.5550577-492青6.5460492-450藍(lán)6.8440450-435紫7.3410435-390可見光具有一般波動現(xiàn)象的性質(zhì)，本文將對光的反射和折射進(jìn)行簡單的闡述。光的反射和折射現(xiàn)象滲透在我們的生活中，我們每天早晨起床后需要梳妝和整理著裝，這就需要鏡子，而這個(gè)過程就是利用到了光的反射原理。（1）反射：是指光在傳播到不同物質(zhì)時(shí)，在分界面上改變傳播方向又返回原來介質(zhì)中的現(xiàn)象。如圖3-13所示：圖3-13光的反射如圖3-13，垂直于分界面虛線叫做法線，法線是實(shí)際不存在但為了研究方便畫入研究圖的，它與入射光線以及反射光線在同一平面內(nèi)。在圖中法線與入射光線的夾角稱為入射角，如所示。則法線與反射光線的夾角稱為反射角，如所示。光的反射現(xiàn)象中存在反射角等于入射角的關(guān)系[10]，即：（3-11）（2）折射：是指光在傳播到不同介質(zhì)時(shí)，在分界面上光的傳播方向發(fā)生偏折的現(xiàn)象。我們就以光從空氣中傳播到水中為例，現(xiàn)象如圖3-14所示：圖3-14光的折射與反射現(xiàn)象一樣稱為入射角，但折射光線與法線的夾角稱為折射角，當(dāng)光線從空氣射入水時(shí)，只要入射光線不是垂直于水面，即時(shí)就有入射角大于折射角[10]，即：（3-12）當(dāng)入射光線垂直射入水面時(shí)，則有反射角等于入射角，即：（3-13）電磁驅(qū)動器工作過程的分析物理原理（1）渦流當(dāng)線圈中的電流隨時(shí)間變化時(shí)，由于電磁感應(yīng)，附近的另一個(gè)線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電流。實(shí)際上這個(gè)線圈附近的任何導(dǎo)體中都會產(chǎn)生感應(yīng)電流。如果用圖表示這樣的感應(yīng)電流，看起來就象水中的旋渦，所以我們把它叫做渦電流引。如圖3-15所示：圖3-15渦流現(xiàn)象金屬處于變化的磁場中時(shí)，金屬內(nèi)部將產(chǎn)生感應(yīng)電流——渦流。根據(jù)楞次定律，渦流的磁場總是阻礙導(dǎo)體與原磁場的相對運(yùn)動，形成電磁阻尼。渦流電磁阻尼既能用于電磁制動，又可用于電磁驅(qū)動。（2）電磁驅(qū)動如果磁場相對于導(dǎo)體運(yùn)動，在導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的作用，安培力使導(dǎo)體運(yùn)動起來，這種作用就是電磁驅(qū)動。演示實(shí)驗(yàn)的物理現(xiàn)象此儀器主要演示的是相對圓盤運(yùn)動的磁場對金屬圓盤的電磁驅(qū)動作用，具體情況如下：圖3-16電磁驅(qū)動演示儀結(jié)構(gòu)圖電磁驅(qū)動演示儀的結(jié)構(gòu)如圖3-16所示，其中①是由釹鐵硼材料制成的兩塊永磁體，它固定在長方形鐵板上；②是固定在L型鐵架板上的電動機(jī)；③是可繞水平軸在豎直平面上轉(zhuǎn)動的鋁圓盤；④是固定①②③的托板。接通電源，電動機(jī)通電開始旋轉(zhuǎn)，電動機(jī)②帶動永磁體①使之繞水平軸旋轉(zhuǎn)，繼之在豎直平面內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，由于渦流的機(jī)械效應(yīng)驅(qū)動圓盤也跟著旋轉(zhuǎn)起來。兩者轉(zhuǎn)動的方向相同，但鋁盤旋轉(zhuǎn)的速度始終小于永磁體（亦即磁場）的轉(zhuǎn)速。這種現(xiàn)象稱為電磁驅(qū)動。電磁驅(qū)動演示儀的制作電磁驅(qū)動演示儀前期調(diào)研圖4-1電磁驅(qū)動演示儀實(shí)物圖1如圖4-1，該電磁驅(qū)動演示儀是在淘寶網(wǎng)中搜索看到的，其結(jié)構(gòu)非常簡單，由手搖傳動裝置連接蹄型磁鐵。當(dāng)進(jìn)行手搖操作時(shí)，蹄型磁鐵以中垂線為軸發(fā)生轉(zhuǎn)動，位于中垂線上的圓柱金屬體由于收到相對切割磁感線的作用產(chǎn)生電流，而產(chǎn)生的電流又會產(chǎn)生一個(gè)與所切割的磁感線相反方向的磁感應(yīng)，進(jìn)而由于同極相斥的原理，使得圓柱金屬體隨著蹄型磁鐵的轉(zhuǎn)動方向而旋轉(zhuǎn)。圖4-2電磁驅(qū)動演示儀實(shí)物圖2如圖4-2，該演示儀更直觀地顯示了電磁驅(qū)動的現(xiàn)象，但無法做到電磁驅(qū)動相關(guān)參數(shù)的測量，無法為探究影響電磁驅(qū)動的因素提供所需的數(shù)據(jù)支持。該演示儀較上一個(gè)更復(fù)雜，利用電動機(jī)驅(qū)動磁盤轉(zhuǎn)動，不但省去了人力而且還可以通過電動機(jī)上的顯示設(shè)備更直觀地知道磁盤的轉(zhuǎn)數(shù)，而且左側(cè)鋁盤的可調(diào)節(jié)性，可以更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集。但該實(shí)驗(yàn)儀器價(jià)格昂貴。項(xiàng)目研究內(nèi)容（1）定性演示電磁驅(qū)動實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。（2）進(jìn)行定量分析，以研究電動機(jī)轉(zhuǎn)速、金屬盤與磁鐵之間的高度差、金屬盤材質(zhì)對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影響。（3）該演示儀可用于教學(xué)演示，因此演示儀需要做到便于攜帶、操作簡單、現(xiàn)象明顯、便于在教室等環(huán)境演示。演示儀器的制作過程第一階段：我們對電磁驅(qū)動的原理進(jìn)行了初步的學(xué)習(xí)，對電磁驅(qū)動有一定的了解。第二階段：對實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，采用簡單的架構(gòu)所組成的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行測試，調(diào)整鋁盤放置的位置，鋁盤與磁鐵的間距，以達(dá)到最好的演示效果。第三階段：完善實(shí)驗(yàn)儀器。為達(dá)到演示效果，在第二階段的基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整，對三個(gè)方面進(jìn)行修改。（1）調(diào)整了鋁盤和磁鐵的放置方向，由左右結(jié)構(gòu)變?yōu)樗浇Y(jié)構(gòu);（2）增加了激光測速計(jì)，方便對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測定；（3）調(diào)整了磁鐵盤的結(jié)構(gòu)，由原有的單一固定數(shù)量結(jié)構(gòu)改為多個(gè)凹槽構(gòu)，以便對磁鐵數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，從而完成對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的研究；（4）增加了鋁盤放置進(jìn)行調(diào)節(jié)功能，做成可調(diào)節(jié)放置高度的結(jié)構(gòu)。第四階段：增加了無級變速模塊，從而通過改變電動機(jī)的速度來改變磁鐵盤的轉(zhuǎn)數(shù)用以觀察影響電磁驅(qū)動的因素。第五階段：增加了碼盤與單片機(jī)控制系統(tǒng)，用以更精確的顯示磁鐵盤與鋁盤的轉(zhuǎn)數(shù)，可以更直觀地觀察到兩者的關(guān)系。創(chuàng)新設(shè)計(jì)（1）將轉(zhuǎn)盤改為多個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)，磁鐵的數(shù)量可以調(diào)整，方便實(shí)驗(yàn)定量分析。（2）能隨意更換不同材質(zhì)的金屬盤，方便對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定性分析。（3）增加了激光測速計(jì)，金屬盤和磁鐵的轉(zhuǎn)速可以準(zhǔn)確測量及記錄，方便實(shí)驗(yàn)定量分析。存在的問題及解決辦法（1）鋁盤與金屬桿之間的摩擦系數(shù)過大。在鋁盤中心增加一個(gè)軸承，減小與金屬桿的摩擦。（2）電動機(jī)抖動現(xiàn)象，影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析。為電動機(jī)制作一個(gè)金屬座，與實(shí)驗(yàn)箱固定，防止抖動。

結(jié)論通過此次對電磁驅(qū)動現(xiàn)象的探究，再次對電磁學(xué)有了重新的認(rèn)識。從電磁學(xué)最基本的庫倫定律到所要研究的電磁驅(qū)動現(xiàn)象，都做了大量文獻(xiàn)的搜集與引用工作，比較系統(tǒng)全面地了解了電磁驅(qū)動的基本原理及現(xiàn)象。并且自行設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)電磁驅(qū)動演示儀，從中收獲頗豐，不僅加深了對電磁驅(qū)動原理的印象也增強(qiáng)了我的動手實(shí)踐能力。其中，影響電磁驅(qū)動的因素有很多，例如磁場磁通量的分布、金屬盤的材質(zhì)、金屬盤與磁鐵盤的距離以及磁鐵盤的轉(zhuǎn)數(shù)等都或多或少地影響電磁驅(qū)動的效率。通過由淺入深地理解，影響電磁驅(qū)動效率的因素都可以用基本的定律去加以驗(yàn)證，更可以通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真，進(jìn)而比較仿真的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究所得到的結(jié)果，從而更有說服力地驗(yàn)證這些因素對電磁驅(qū)動效率的影響。電磁驅(qū)動作為一個(gè)零接觸的驅(qū)動方式，已經(jīng)引起了許多科學(xué)家對其應(yīng)用領(lǐng)域的探索。從電動機(jī)的研發(fā)，電磁驅(qū)動泵地研制再到磁懸浮列車技術(shù)的大踏步前進(jìn)，相信在不遠(yuǎn)的將來，電磁驅(qū)動的應(yīng)用定會在這日新月異的科技時(shí)代大放光彩。

致謝本文是在宋明歆老師的悉心指導(dǎo)下完成的。從畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的選擇、到選到課題的研究和論證，再到本畢業(yè)設(shè)計(jì)的編寫、修改，每一步都有宋老師的細(xì)心指導(dǎo)和認(rèn)真的解析。在宋老師的指導(dǎo)下，我在各方面都有所提高，老師以嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)，一絲不茍的治學(xué)態(tài)度和勤勉的工作態(tài)度深深感染了我，給我巨大的啟迪，鼓舞和鞭策，并成為我人生路上值得學(xué)習(xí)的榜樣。使我的知識層次又有所提高。同時(shí)感謝所有教育過我的專業(yè)老師，你們傳授的專業(yè)知識是我不斷成長的源泉也是完成本論文的基礎(chǔ)。也感謝我同一組的組員和班里的同學(xué)是你們在我遇到難題時(shí)幫我找到大量資料，解決難題。再次真誠感謝所有幫助過我的老師同學(xué)。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅提高了我獨(dú)立思考問題解決問題的能力而且培養(yǎng)了認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，一絲不茍的學(xué)習(xí)態(tài)度。由于經(jīng)驗(yàn)匱乏，能力有限，設(shè)計(jì)中難免有許多考慮不周全的地方，希望各位老師多加指教。參考文獻(xiàn)韓偉，劉志華，胡隆基等．電磁驅(qū)動器驅(qū)動線圈溫度場數(shù)學(xué)模型研究．高等教育出版社，2011：15～19趙凱華，陳熙謀．電磁學(xué)．高等教育出版社，1985：235～237袁祿明．電磁測量．機(jī)械工業(yè)出版社，1980：28～29楊述武，趙立竹．普通物理實(shí)驗(yàn)．高等教育出版社，2007：35～47趙定云，電磁學(xué)．清華大學(xué)出版社有限公司，1999：59～87王榮槐，電磁學(xué)．電磁學(xué)疑難解析．華中理工大學(xué)出版社，1988：62～79林德云，李國定．電磁場理論基礎(chǔ)．清華大學(xué)出版社，1990：87～94戴琳，電磁學(xué)，侯文等．電磁學(xué)及其應(yīng)用．中國電力出版社，1998：106～118蘇鐵力，電磁學(xué)．電磁學(xué)基本概念學(xué)習(xí)指導(dǎo)．遼寧大學(xué)出版社，1987：15～29黃瑩，王云英．電磁學(xué)原理在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用．兵器工業(yè)出版社，1998：16～32張潔天．電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)．北京大學(xué)出版社，1993：33～45勵(lì)子偉，宋建平，電磁學(xué)．普通物理學(xué)：電磁學(xué)．北京大學(xué)出版社，1988：27～28W．Bo，L．ZhuandK．Yan，DesignandFabricationofMicromulti-mirrorsBasedonSiliconforMicro-spectrometer．InternationalConferenceon.IEEE，2010：81～99M．Bin，R．JianandL．Li，ExperimentalStudyonDynamicCharacteristicsofaNovelLowInertiaRotatingElectromagnet．InternationalConferenceon.IEEE，2010：12～15S．Yuan，H．ZhaandX．Chu，ThePrincipleandStructureofaScrewDrivePiezoelectricMoto．JointConferenceofthe2009Symposiumon．IEEE，2009：46～51附錄附錄A電磁驅(qū)動演示儀概述在先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的推動下，電磁驅(qū)動相關(guān)技術(shù)日新月異，全球電磁驅(qū)動的發(fā)展朝智能化邁進(jìn)。各所高校開展了與電磁驅(qū)動相關(guān)的課題研究，便攜式、低功耗的電磁驅(qū)動演示儀器越來越受到人們的青睞。在以往的產(chǎn)品中，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定量分析不是很方便，本產(chǎn)品采用激光測速儀，其優(yōu)點(diǎn)有精確度度高、易于操作、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單；用激光照射，隨著金屬盤的轉(zhuǎn)動，激光測速計(jì)將會記錄轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速，永磁體測速亦然。測量結(jié)果用三位數(shù)字顯示。除此之外，本產(chǎn)品加入了單片機(jī)信號讀取計(jì)算模塊，連接1602液晶顯示屏，易于讀數(shù)，精度高。技術(shù)參數(shù)如表A-1本演示儀使用12v的直流穩(wěn)壓電源供電。演示范圍：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速10000RPM；測量精度：±(0.05%+1個(gè)字)。表A-1技術(shù)參數(shù)表參數(shù)最小值典型值最大值單位工作電壓12V發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速010000RPM測量范圍2.599999RPM工作環(huán)境—-4032℃產(chǎn)品的操作說明電磁驅(qū)動的原理：穿過閉合導(dǎo)體的磁通量發(fā)生變化，閉合導(dǎo)體中就有感應(yīng)電流。產(chǎn)生感應(yīng)電流的金屬在磁場中，又將受到安培力的作用而發(fā)生運(yùn)動，這種現(xiàn)象通常稱為電磁驅(qū)動現(xiàn)象。注釋：1.總開關(guān)2.磁鐵3.鋁盤4.調(diào)速旋鈕5.激光測速模塊6.單片機(jī)電源線7.1602液晶顯示屏8.測速模塊1的傳輸線9.測速模塊2的傳輸線10.單片機(jī)操作步驟：（1）接通電源，將實(shí)驗(yàn)箱的紅色開關(guān)1向上開啟（2）旋轉(zhuǎn)調(diào)速旋鈕4，磁鐵盤2轉(zhuǎn)動，將速度提高，金屬盤3也相繼轉(zhuǎn)動。（3）待速度穩(wěn)定時(shí)，利用單片機(jī)10測量、控制與數(shù)碼管7數(shù)字化技術(shù)顯示轉(zhuǎn)速。信號信號輸入測速模塊25v電源51單片機(jī)測速模塊1信號輸出發(fā)動機(jī)1602液晶顯示屏無極調(diào)速12v電源開關(guān)圖A-2模塊演示圖創(chuàng)新之處：（1）本儀器加入單片機(jī)信息讀取顯示模塊，方便計(jì)數(shù)，精度高。（2）將轉(zhuǎn)盤改為多個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)，磁鐵的數(shù)量可以調(diào)整，方便實(shí)驗(yàn)定量分析。注意事項(xiàng)：（1）非專業(yè)人士請勿拆開實(shí)驗(yàn)箱；（2）請勿在潮濕的環(huán)境中使用；（3）待發(fā)動機(jī)及金屬盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行測量；（4）由于磁鐵易碎的特性，在更換磁鐵時(shí)要輕拿輕放。

附錄B英文文獻(xiàn)翻譯基本簡介電磁學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)分支。廣義的電磁學(xué)可以說是包含電學(xué)和磁學(xué)，但狹義來說是一門探討電性與磁性交互關(guān)系的學(xué)科。主要研究電磁波，電磁場以及有關(guān)電荷，帶電物體的動力學(xué)等等。電磁學(xué)是研究電和磁的相互作用現(xiàn)象，及其規(guī)律和應(yīng)用的物理學(xué)分支學(xué)科。根據(jù)近代物理學(xué)的觀點(diǎn)，磁的現(xiàn)象是由運(yùn)動電荷所產(chǎn)生的，因而在電學(xué)的范圍內(nèi)必然不同程度地包含磁學(xué)的內(nèi)容。所以，電磁學(xué)和電學(xué)的內(nèi)容很難截然劃分，而“電學(xué)”有時(shí)也就作為“電磁學(xué)”的簡稱。電磁學(xué)從原來互相獨(dú)立的兩門科學(xué)(電學(xué)、磁學(xué))發(fā)展成為物理學(xué)中一個(gè)完整的分支學(xué)科，主要是基于兩個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即電流的磁效應(yīng)和變化的磁場的電效應(yīng)。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，加上麥克斯韋關(guān)于變化電場產(chǎn)生磁場的假設(shè)，奠定了電磁學(xué)的整個(gè)理論體系，發(fā)展了對現(xiàn)代文明起重大影響的電工和電子技術(shù)。導(dǎo)線所載有的電流，會在四周產(chǎn)生磁場，其磁場線是以同心圓圖案環(huán)繞著導(dǎo)線的四周。使用電流表可以直接地測量電流。但這方法的缺點(diǎn)是必須切斷電路，將電流表置入電路中間。間接地測量伴電流四周的磁場，也可以測量出電流強(qiáng)度。優(yōu)點(diǎn)是，不需要切斷電路。應(yīng)用這方法來測量電流的儀器有霍爾效應(yīng)感測器、電流鉗,變流器等等。電子的發(fā)現(xiàn)，使電磁學(xué)和原子與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論結(jié)合了起來，洛倫茲的電子論把物質(zhì)的宏觀電磁性質(zhì)歸結(jié)為原子中電子的效應(yīng)，統(tǒng)一地解釋了電、磁、光現(xiàn)象。電磁學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)分支。電學(xué)與磁學(xué)領(lǐng)域有著緊密關(guān)系，廣義的電磁學(xué)可以說是包含電學(xué)和磁學(xué)，但狹義來說是一門探討電性與磁性交互關(guān)系的學(xué)科。主要研究電磁波，電磁場以及有關(guān)電荷，帶電物體的動力學(xué)等等。發(fā)展簡史電磁波的發(fā)現(xiàn)由于歷史上的原因（最早，磁曾被認(rèn)為是與電獨(dú)立無關(guān)的現(xiàn)象），同時(shí)也由于磁學(xué)本身的發(fā)展和應(yīng)用，如近代磁性材料和磁學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的磁效應(yīng)和磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用等等，使得磁學(xué)的內(nèi)容不斷擴(kuò)大，而磁學(xué)在實(shí)際上也就作為一門和電學(xué)相平行的學(xué)科來研究。麥克斯韋電磁理論的重大意義，不僅在于這個(gè)理論支配著一切宏觀電磁現(xiàn)象（包括靜電、穩(wěn)恒磁場、電磁感應(yīng)、電路、電磁波等等），而且在于它將光學(xué)現(xiàn)象統(tǒng)一在這個(gè)理論框架之內(nèi)，深刻地影響著人們認(rèn)識物質(zhì)世界的思想。電磁學(xué)密切相關(guān)的是經(jīng)典電動力學(xué)，兩者在內(nèi)容上并沒有原則的區(qū)別。一般說來，電磁學(xué)偏重于電磁現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究，從廣泛的電磁現(xiàn)象研究中歸納出電磁學(xué)的基本規(guī)律；經(jīng)典電動力學(xué)則偏重于理論方面，它以麥克斯韋方程組和洛倫茲力為基礎(chǔ)，研究電磁場分布，電磁波的激發(fā)、輻射和傳播，以及帶電粒子與電磁場的相互作用等電磁問題，也可以說，廣義的電磁學(xué)包含了經(jīng)典電動力學(xué)。關(guān)于相對論和量子理論對電磁學(xué)發(fā)展的影響，見相對論電動力學(xué)、量子電動力學(xué)。麥克斯韋《電磁論》發(fā)表后，由于理論難懂，無實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在相當(dāng)長的一段時(shí)間里并未受到重視和普遍承認(rèn)。1879年，柏林科學(xué)院設(shè)立了有獎?wù)魑?，要求證明以下三個(gè)假設(shè)：①如果位移電流存在，必定會產(chǎn)生磁效應(yīng)；②變化的磁力必定會使絕緣體介質(zhì)產(chǎn)生位移電流；③在空氣或真空中，上述兩個(gè)假設(shè)同樣成立。這次征文成為赫茲進(jìn)行電磁波實(shí)驗(yàn)的先導(dǎo)。1885年，赫茲利用一個(gè)具有初級和次級兩個(gè)繞組的振蕩線圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，偶然發(fā)現(xiàn)：當(dāng)初級線圈中輸入一個(gè)脈沖電流時(shí)，次級繞組兩端的狹縫中間便產(chǎn)生電火花，赫茲立刻想到，這可能是一種電磁共振現(xiàn)象。既然初級線圈的振蕩電流能夠激起次級線圈的電火花，那么它就能在鄰近介質(zhì)