《大学物理实验》课程教学资源（教材讲义）电磁感应与磁悬浮

大学物理实验:228:【预习思考题】1.本实验中电路的暂态过程可用一阶或二阶微分方程来描述事实上，机械系统、控制系统，甚至经济规律，都有与电路暂态过程类似的运动特性，你能举出哪些例子？2.在RC暂态过程中，固定方波的频率，而改变电阻的阻值，为什么会有不同的波形？而改变方波的频率，会得到类似的波形吗？3.在RC，RL电路中，当C或L的损耗电阻不能忽略不计时，能否用本实验测量电路中的时间常数？【拓展训练】1.RLC串联谐振频率的大小与什么因素有关？2.如何通过测量RLC串联电路的谐振频率间接测量光速？3.怎样利用计算机对RLC电路暂态过程进行模拟？【拓展阅读】[1]］志余，王卫星.大学物理实验.北京：机械工业出版社，2006.（第五章第五节）[2] 赵凯华，陈熙谋.电磁学.北京：高等教育出版社，2006[3] 秦曾焊，电工学（上）：北京：高等教育出版社2004[4] 汪小娜等.2011.RL与C并联谐振电路品质因素精确值的计算.大学物理，30(3):31—40[5]张月洋，王丽.2011.R取值对测量并联谐振频率的影响.大学物理实验，24(6):39—406丁益民，陈倩.2011.基于MATLAB的RLC电路暂态过程的模拟.大学物理实验，24(2):78—80电磁感应与磁悬浮5.41【引言】磁悬浮技术的大规模应用主要集中在磁悬浮列车和磁悬浮轴承上，现代社会，轨道交通作为一种重要的客运交通，其容量大、速度快、安全性好，发展备受关注，传统铁路发展到现在，由于受到轮轨粘着、高速阻力和机械磨损等条件的限制，进一步提速的难度较天；磁悬浮列车打破传统铁路限制，借助磁铁同性相压、异性相吸的原理悬浮于轨道上，运行时只需克服空气带来的阻力，速度可达到500km/h以上，具有速度高、稳定安全、污染小、能耗低等特点，成为行驶于轨道上的飞机，磁悬浮的主要方式分为电磁吸引悬浮EMS、永磁斥力悬浮PRS、感应斥力悬浮EDS.其中EMS和EDS使用较多，其代表分别为德国的TR系列列车和日本的MLU系列列车.许多发达国家正在竞相开发磁悬浮列车技术，上海于2002年建成我国第一条磁悬浮示范运营线【实验目的】1.了解磁悬浮基本原理.2.研究导体在磁场中运动而产生的磁悬浮力、磁牵引力等磁悬浮现象的规律性，通过数据拟合给出经验公式。3.根据磁悬浮原理，进行磁悬浮的应用设计

暰预习思考题暱 1.本实验中电路的暂态过程可用一阶或二阶微分方程来描述.事实上,机械系统、控制系 统,甚至经济规律,都有与电路暂态过程类似的运动特性,你能举出哪些例子? 2.在 RC暂态过程中,固定方波的频率,而改变电阻的阻值,为什么会有不同的波形? 而 改变方波的频率,会得到类似的波形吗? 3.在 RC,RL电路中,当C 或L 的损耗电阻不能忽略不计时,能否用本实验测量电路中的 时间常数? 暰拓展训练暱 1.RLC串联谐振频率的大小与什么因素有关? 2.如何通过测量 RLC串联电路的谐振频率间接测量光速? 3.怎样利用计算机对 RLC电路暂态过程进行模拟? 暰拓展阅读暱 [1] 仉志余,王卫星.大学物理实验.北京:机械工业出版社,2006.(第五章第五节) [2] 赵凯华,陈熙谋.电磁学.北京:高等教育出版社,2006. [3] 秦曾煌.电工学(上).北京:高等教育出版社,2004. [4] 汪小娜 等.2011.RL 与 C 并 联 谐 振 电 路 品 质 因 素 精 确 值 的 计 算.大 学 物 理, 30(3):31—40. [5] 张 月 洋,王 丽.2011.R 取 值 对 测 量 并 联 谐 振 频 率 的 影 响.大 学 物 理 实 验, 24(6):39—40. [6] 丁益民,陈倩.2011.基于 MATLAB的 RLC电路暂态过程的模拟.大学物理实验, 24(2):78—80. 5灡4 电磁感应与磁悬浮 暰引言暱 磁悬浮技术的大规模应用主要集中在磁悬浮列车和磁悬浮轴承上.现代社会,轨道交通作 为一种重要的客运交通,其容量大、速度快、安全性好,发展备受关注.传统铁路发展到现在,由 于受到轮轨粘着、高速阻力和机械磨损等条件的限制,进一步提速的难度较大;磁悬浮列车打 破传统铁路限制,借助磁铁同性相斥、异性相吸的原理悬浮于轨道上,运行时只需克服空气带 来的阻力,速度可达到500km/h以上,具有速度高、稳定安全、污染小、能耗低等特点,成为行 驶于轨道上的飞机. 磁悬浮的主要方式分为电磁吸引悬浮EMS、永磁斥力悬浮PRS、感应斥力悬浮EDS.其中 EMS和EDS使用较多,其代表分别为德国的TR系列列车和日本的 MLU系列列车.许多发达 国家正在竞相开发磁悬浮列车技术,上海于2002年建成我国第一条磁悬浮示范运营线. 暰实验目的暱 1.了解磁悬浮基本原理. 2.研究导体在磁场中运动而产生的磁悬浮力、磁牵引力等磁悬浮现象的规律性,通过数据 拟合给出经验公式. 3.根据磁悬浮原理,进行磁悬浮的应用设计. ·228· 大学物理实验

第5章设计性与应用性实验:229.【实验原理】1831年，英国科学家法拉第从实验中发现，当通过一闭合回路所包围的面积的磁通量（磁感应强度B的通量）发生变化时，回路中就产生电流，这种电流称之为感应电流，法拉第在1831年11月24日向英国皇家学院报告了《电磁学的实验研究》的结果，他将电磁感应的条件既括为：变化的电流：②变化的磁场：③运动的稳恒电流：4运动的磁铁：5在磁场中运动的导体，电磁感应定律的发现，无论在科学和技术上都具有划时代的意义，电磁感应定律使人类找到机械能与电能之间的转换方法，为生产部门和各行各业广泛的使用电力创造了条件，大大地促进了生产力的发展和人类文明的进程，开创了电气新时代的新纪元楞次定律：闭合回路中的感应电流方向，总是企图使感应电流本身所产生的通过回路面积的磁通量，去反抗引起感应电流的磁通量的改变，或者说感应电流产生的磁场总是阻碍原来的磁场的变化法拉第电磁感应定律：不论任何原因使通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与此通量对时间的变化率成正比，即ei=-kde(5-4-1)dt式中负号，表明了感应电动势的方向，为比例系数，其值决定于式中各物理量所用的单位.如果使用国际单位制，则k=1.如果感应回路是N匝串联，那么在磁通量的变化时，每匝线圈都将产生感应电动势，若每匝中通过的磁通量相同，则有e;=-No__d(N@)(5-4-2)didt习惯上把NΦ称为线圈的磁通量匝数，感应电流的方向可以用右手定则或楞次定律确定，对本实验装置，在金属铝盘与永磁体做相对运动时，产生的“磁悬浮力”和“磁牵引力”可以理解为运动导体切割磁力线产生的感应电流在磁场中受安培力所致【实验仪器】本实验的基本装置由电磁感应与磁悬浮实验仪、力传感器、带光电门的轮轴、直流发动机、步进电机、步进电机控制器、铝盘、永磁铁（两种型号）、多定位孔底座和传感器支架等组成.装置如图5-4-1所示，C力传感器轮轴铝盘-步进电机底座图5-4-1实验装置图一、步进电机控制器操作说明步进电机控制器控制步进电机的转速、启动和停止，步进电机可以将电脉冲转化为角位移，每当步进电机接收到一个脉冲信号，就按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角），在

暰实验原理暱 1831年,英国科学家法拉第从实验中发现,当通过一闭合回路所包围的面积的磁通量(磁 感应强度B 的通量)发生变化时,回路中就产生电流,这种电流称之为感应电流.法拉第在 1831年11月24日向英国皇家学院报告了《电磁学的实验研究》的结果,他将电磁感应的条件 概括为:栙 变化的电流;栚 变化的磁场;栛 运动的稳恒电流;栜 运动的磁铁;栞 在磁场中运动 的导体.电磁感应定律的发现,无论在科学和技术上都具有划时代的意义,电磁感应定律使人 类找到机械能与电能之间的转换方法,为生产部门和各行各业广泛的使用电力创造了条件,大 大地促进了生产力的发展和人类文明的进程,开创了电气新时代的新纪元. 楞次定律:闭合回路中的感应电流方向,总是企图使感应电流本身所产生的通过回路面积的磁通 量,去反抗引起感应电流的磁通量的改变.或者说感应电流产生的磁场总是阻碍原来的磁场的变化. 法拉第电磁感应定律:不论任何原因使通过回路面积的磁通量发生变化时,回路中产生的 感应电动势与此通量对时间的变化率成正比,即 毰i =-k d毜 dt , (5灢4灢1) 式中负号,表明了感应电动势的方向,k为比例系数,其值决定于式中各物理量所用的单位.如 果使用国际单位制,则k=1.如果感应回路是 N 匝串联,那么在磁通量的变化时,每匝线圈都 将产生感应电动势,若每匝中通过的磁通量相同,则有 毰i =-N d毜 dt =- d(N毜) dt . (5灢4灢2) 习惯上把 N毜 称为线圈的磁通量匝数. 感应电流的方向可以用右手定则或楞次定律确定. 对本实验装置,在金属铝盘与永磁体做相对运动时,产生的“磁悬浮力暠和“磁牵引力暠可 以理解为运动导体切割磁力线产生的感应电流在磁场中受安培力所致. 暰实验仪器暱 本实验的基本装置由电磁感应与磁悬浮实验仪、力传感器、带光电门的轮轴、直流发动机、 步进电机、步进电机控制器、铝盘、永磁铁(两种型号)、多定位孔底座和传感器支架等组成.装 置如图5灢4灢1所示. 图5灢4灢1 实验装置图 一、步进电机控制器操作说明 步进电机控制器控制步进电机的转速、启动和停止.步进电机可以将电脉冲转化为角位 移,每当步进电机接收到一个脉冲信号,就按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角),在 第5章 设计性与应用性实验 ·229·

大学物理实验230.非超载的情况下，电机的转速不受负载变化的影响f×1.8电机转速与频率关系为：@X2元：16X3601600式中f单位为Hz，@单位为rad/s其面板图如图5-4-2所示.步进电机控制器口O口OO口o0JIAOKause图 5-4-2步进电机控制器面板图操作方法如下：按键，进入到自动状态，这时auto灯亮，数码管显示（1）打开控制器电源开关，按一下OK“SP20000"（2）按一下按键，电机即按照当前设置速度开始运转；（3）按一下按键，电机即停止运转；/（4）速度可由实现减速，实现加速，加减步长约为1000Hz，调整范围为2000 ~32000Hz二、电磁感应与磁悬浮实验仪操作说明如下电源部分在后面板.后面板如图5-4-3所示：AC220V电源接入，由电源开关控制通断，有3个四芯航空插座，分别连接牵引光电门（接轮轴光电门）、直驱光电门（未使用）和力传感器.前面板为力传感器和转速的显示，如图5-4-4所示左边显示力的大小，右边显示转速，REF按键用来清零，电磁感应与磁悬浮实验仪Oa直驱光电门牵引光电门0开关annn口光电门转换开关CdSC转速磁力力传感器输入220V/50Hz图5-4-3电源部分面板图图5-4-4电磁感应与磁悬浮实验仪前面板图【实验内容】1.观测磁牵引，测量磁牵引力大小与铝盘转速的关系

非超载的情况下,电机的转速不受负载变化的影响. 电机转速与频率关系为:氊= f暳1.8 16暳360 暳2毿= 毿 1600 f. 式中f单位为 Hz,氊 单位为rad/s. 其面板图如图5灢4灢2所示. 图5灢4灢2 步进电机控制器面板图 操作方法如下: (1)打开控制器电源开关,按一下 按键,进入到自动状态,这时auto灯亮,数码管显示 “SP20000暠; (2)按一下 按键,电机即按照当前设置速度开始运转; (3)按一下 按键,电机即停止运转; (4)速度可由 实现减速, 实现加速,加减步长约为1000Hz,调整范围为20000~ 32000Hz. 二、电磁感应与磁悬浮实验仪操作说明如下 电源部分在后面板,后面板如图5灢4灢3所示: AC220V电源接入,由电源开关控制通断,有3个四芯航空插座,分别连接牵引光电门(接 轮轴光电门)、直驱光电门(未使用)和力传感器. 前面板为力传感器和转速的显示,如图5灢4灢4所示. 左边显示力的大小,右边显示转速,REF按键用来清零. 图5灢4灢3 电源部分面板图 图5灢4灢4 电磁感应与磁悬浮实验仪前面板图 暰实验内容暱 1.观测磁牵引,测量磁牵引力大小与铝盘转速的关系 ·230· 大学物理实验

第5章设计性与应用性实验:231.（1）调节底座，使之水平，将磁铁安装到力传感器测臂端头朝向铝盘的磁铁槽，将力传感器、步进电机、铝盘、直驱光电门分别安装到底座上，（2）力传感器测臂需水平安装并指向铝盘中心，磁铁应与铝盘尽量接近又不接触（3）组装好仪器后，将各仪器数据线连接到相应插座，（4）打开电源的开关，等待电磁感应与磁悬浮实验仪示数稳定，在铝盘静止情况下按“REF”键将示数清零.（5）从最大到最小调节控制器输出频率（即调节铝盘的转速），观察磁牵引力随铝盘转速的改变，每个频率下读力3次，记录数据到表5-4-1.表5-4-1驱动频率（Hz）转速（rad/s)牵引力（N）牵引力(N)牵引力（N)2.观测磁悬浮力，测量磁悬浮力与铝盘转速的关系步骤同1，力传感器竖直安装并移动磁铁到朝向铝盘的磁铁槽，观察磁悬浮力随铝盘转速变化规律并测量，表5-4-2转速(rad/s)悬浮力(N)悬浮力(N)悬浮力(N)3.设计方案，测定磁牵引力与磁悬浮力随磁铁距离变化曲线要求：参考上述两个基本实验，利用所提供元件，测量磁牵引力与磁悬浮力随铝盘与磁铁距离变化曲线，自拟数据记录表格记录测量数据.磁铁与铝盘间的距离用已知厚度的垫片改变4.设计磁悬浮传动系统，测量传动比要求：参考上述两个基本实验，利用所提供元件，设计磁悬浮传动系统，自拟数据记录表格记录测量数据，确定传动比，5.设计发电系统，测量输出电压要求：参考上述两个基本实验，利用所提供元件，设计发电系统，自拟数据记录表格记录测量数据，测量输出电压随铝盘转速变化的曲线，【数据处理】1.对所测得各表数据，根据物理量的对应关系用相应类型的函数拟合，确定关系式并绘制关系曲线2.根据表5-4-2数据，寻找铝盘不同转速与磁悬浮力对应关系，用数学公式进行拟合，确定其函数形式和相关系数·并作图3.对实验内容3所测得数据进行拟合，确定磁牵引力（磁悬浮力）随磁铁与铝盘间的距离变化的函数关系，并绘制关系曲线

(1)调节底座,使之水平.将磁铁安装到力传感器测臂端头朝向铝盘的磁铁槽,将力传感 器、步进电机、铝盘、直驱光电门分别安装到底座上. (2)力传感器测臂需水平安装并指向铝盘中心,磁铁应与铝盘尽量接近又不接触. (3)组装好仪器后,将各仪器数据线连接到相应插座. (4)打开电源的开关,等待电磁感应与磁悬浮实验仪示数稳定,在铝盘静止情况下按 “REF暠键将示数清零. (5)从最大到最小调节控制器输出频率(即调节铝盘的转速),观察磁牵引力随铝盘转速 的改变,每个频率下读力3次,记录数据到表5灢4灢1. 表5灢4灢1 驱动频率(Hz) 转速(rad/s) 牵引力(N) 牵引力(N) 牵引力(N) 2.观测磁悬浮力,测量磁悬浮力与铝盘转速的关系 步骤同1,力传感器竖直安装并移动磁铁到朝向铝盘的磁铁槽,观察磁悬浮力随铝盘转速 变化规律并测量. 表5灢4灢2 转速(rad/s) 悬浮力(N) 悬浮力(N) 悬浮力(N) 3.设计方案,测定磁牵引力与磁悬浮力随磁铁距离变化曲线 要求:参考上述两个基本实验,利用所提供元件,测量磁牵引力与磁悬浮力随铝盘与磁铁 距离变化曲线.自拟数据记录表格记录测量数据.磁铁与铝盘间的距离用已知厚度的垫片 改变. 4.设计磁悬浮传动系统,测量传动比 要求:参考上述两个基本实验,利用所提供元件,设计磁悬浮传动系统,自拟数据记录表格 记录测量数据,确定传动比. 5.设计发电系统,测量输出电压 要求:参考上述两个基本实验,利用所提供元件,设计发电系统,自拟数据记录表格记录测 量数据,测量输出电压随铝盘转速变化的曲线. 暰数据处理暱 1.对所测得各表数据,根据物理量的对应关系用相应类型的函数拟合,确定关系式并绘制 关系曲线. 2.根据表5灢4灢2数据,寻找铝盘不同转速与磁悬浮力对应关系,用数学公式进行拟合,确 定其函数形式和相关系数,并作图. 3.对实验内容3所测得数据进行拟合,确定磁牵引力(磁悬浮力)随磁铁与铝盘间的距离 变化的函数关系,并绘制关系曲线. 第5章 设计性与应用性实验 ·231·

大学物理实验:232:4.对实验内容4所测得的数据进行拟合，确定磁悬浮传动系统的传动比，并绘制该系统特性曲线：5.对实验内容5所测得的数据进行拟合，确定输出电压随铝盘转速变化的函数关系，并绘制关系曲线.【注意事项】1.力传感器安装时方向不要弄错，从测臂端头向立柱方向看，传感器上标注的箭头表示测力方向.2.各项测量前，确保磁铁与铝盘无摩擦、碰撞并固定牢固，以免磁铁碎屑飞出伤人，造成伤人事故，3.为了防止在铝盘高速转动时的牵引力导致传感器测臂转动.立柱上的固定螺丝一定要拧紧！【预习思考题】1.磁牵引力是如何产生的？与铝盘转速关系如何？2.磁铁在转动的铝盘附近既受牵引力又受浮力，测力传感器测到的是牵引力还是浮力？3.在进行实验内容1和2时，磁体为什么要尽量靠近铝盘？【讨论思考题】本实验中哪一项测量数据的离散最大？主要原因是什么？如何改进？【拓展阅读】[1]赵凯华，电磁学.高等教育出版社，2006[2]］田晓岑，张萍.2000.磁悬浮列车原理简介.大学物理，19（8)：42一46.[3]］王延安，陈世元，苏战排.2001.EMS式与EDS式磁悬浮列车系统的比较分析.铁道车辆.39(10）：17—205. 5巨磁阻效应及其应用【引言】1988年，法国物理学家阿尔贝·费尔（AlbertFert）在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻天小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，他把这种效应命名为巨磁阻效应（GiantMagneto一Resistive，GMR）.就在同一时期，德国的彼得·格林贝格尔教授领导的研究小组在具有层间反平行磁化的铁、铬、铁三层膜结构中也发现了完全同样的现象.两位科学家也因此共同获得2007年诺贝尔物理学奖，得益于巨磁阻效应在读写硬盘数据技术的应用，硬盘的容量一跃提高了几百倍，【实验目的】1：了解巨磁阻效应的原理和相关特性（1）学习巨磁阻和巨磁阻效应产生的原理.（2）了解巨磁阻传感器的结构，测绘巨磁阻传感器的磁电转换特性曲线B-U和磁阻特性曲线B-R2.通过实验了解巨磁阻的相关应用测绘磁电转换开关特性曲线、电流测量曲线I-U、梯度传感器特性曲线6-U，了解巨磁阻

4.对实验内容4所测得的数据进行拟合,确定磁悬浮传动系统的传动比,并绘制该系统特 性曲线. 5.对实验内容5所测得的数据进行拟合,确定输出电压随铝盘转速变化的函数关系,并绘 制关系曲线. 暰注意事项暱 1.力传感器安装时方向不要弄错,从测臂端头向立柱方向看,传感器上标注的箭头表示测 力方向. 2.各项测量前,确保磁铁与铝盘无摩擦、碰撞并固定牢固,以免磁铁碎屑飞出伤人,造成伤 人事故. 3.为了防止在铝盘高速转动时的牵引力导致传感器测臂转动.立柱上的固定螺丝一定要 拧紧! 暰预习思考题暱 1.磁牵引力是如何产生的? 与铝盘转速关系如何? 2.磁铁在转动的铝盘附近既受牵引力又受浮力,测力传感器测到的是牵引力还是浮力? 3.在进行实验内容1和2时,磁体为什么要尽量靠近铝盘? 暰讨论思考题暱 本实验中哪一项测量数据的离散最大? 主要原因是什么? 如何改进? 暰拓展阅读暱 [1] 赵凯华.电磁学.高等教育出版社,2006. [2] 田晓岑,张萍.2000.磁悬浮列车原理简介.大学物理,19(8):42—46. [3] 王延安,陈世元,苏战排.2001.EMS式与EDS式磁悬浮列车系统的比较分析.铁道 车辆,39(10):17—20. 5灡5 巨磁阻效应及其应用 暰引言暱 1988年,法国物理学家阿尔贝·费尔(AlbertFert)在铁、铬相间的多层膜电阻中发现,微 弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化,其变化的幅度比通常高十几倍,他把这种效应命 名为巨磁阻效应(Giant Magneto-Resistive,GMR).就在同一时期,德国的彼得·格林贝格 尔教授领导的研究小组在具有层间反平行磁化的铁、铬、铁三层膜结构中也发现了完全同样的 现象.两位科学家也因此共同获得2007年诺贝尔物理学奖,得益于巨磁阻效应在读写硬盘数 据技术的应用,硬盘的容量一跃提高了几百倍. 暰实验目的暱 1.了解巨磁阻效应的原理和相关特性 (1)学习巨磁阻和巨磁阻效应产生的原理. (2)了解巨磁阻传感器的结构,测绘巨磁阻传感器的磁电转换特性曲线B U 和磁阻特性 曲线B R. 2.通过实验了解巨磁阻的相关应用 测绘磁电转换开关特性曲线、电流测量曲线I U、梯度传感器特性曲线毴 U,了解巨磁阻 ·232· 大学物理实验