磁悬浮实验讲义.doc

实验6-5 电磁感应与磁悬浮力实验目的、意义和要求 电磁学之所以迅速发展为物理学中的一个重要学科，在于它的强大生命力，在于它在经济生活中有丰富的回报率。电磁感应原理不但在传统的电机工程、变压器效应、无线通讯等领域中独领风骚，在现代医学、现代交通、信息产业等领域中也有许多应用。 本实验就是要通过一些电磁感应现象的揭示，悟出其中的原理和奥妙，并研究它的现象和磁力对各种材料的影响，探讨其在现实生活中的应用和发展，这对电磁感应从理论到实际的联系，对电磁感应的成因，性质、效应和规律的理解，都有很大的收益。黄铜的电导率和磁导率分别为s = 1.5 107 (S/m) 和 m0 = 4p 10-7 (H/m)趋腹深度(穿透深度)为实验前应回答的问题 1.什么是电磁感应？其产生的电流、电动势和电磁场如何定义？ 解答通过闭合回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中产生电流的现象叫电磁感应。由电磁感应产生的电动势称感生电动势，由电磁感应产生的电流称感生电流。电磁场是一种物理场，是相互依存的电场和磁场的总称。电流随时间变化而引起磁场，磁场随时间变化产生电场，二者互为因果，形成电磁场。2.楞次定律说明了什么？此实验中电能可能转化为何种能量？解答是确定感生电流方向的定律，即感生电流的方向，总是使其产生的磁场阻碍原来磁场的变化。在此实验中电能有可能转化为热能和机械能等。3.什么叫磁力？它和安培定律有什么关系？解答磁力也称为安培力它表述通电导线在磁场中受力的情况，其公式为FBILsina。a为磁场方向与电流方向的夹角B为磁感应强度，I为导线中的电流，L为导线长度。作用力F的方向可用左手定则确定。此公式也可称为安培定律。4.说明磁场强度及其对电流的关系？解答磁场强度是描写磁介质中磁场的一个辅助量。磁介质中的磁场不仅与磁介质中的磁化电流有关，更和场源的电流有关，磁场强度定义为。（M为磁场强度） 。5.变压器和电磁感应有什么联系？其原理是什么？解答变压器是利用电磁感应原理来改变电压和电流的一种电气设备，其原理为原线圈和付线圈中感生电动势之比等于它们的匝数之比，即。6.什么叫电阻率？它在电磁感应中起了什么作用？解答停 电阻率是表征物质导电性能的物理量，它是随温度变化而变化的。电阻率和电阻成正比，而导体内电阻的大小直接影响了电磁感应中感生电流的大小，从而影响电磁感应的效果。7.什么叫电磁铁？什么叫磁化? 它们都有什么作用？解答利用电流使磁芯磁化的装置叫电磁铁。它是软磁材料制成的铁芯和激磁线圈共同组成。而使原来不带磁的物体在磁场中获得磁性的过程叫磁化，最容易磁化的物质是铁磁物质（如软铁、硅钢等。由于电流能引起很强的磁场并便于控制，所以常用电流产生的磁场使铁磁物质磁化而制成永磁铁或电磁铁，它们都在电工和电子技术方面得到广泛的应用。8.什么叫涡流？什么叫感应电场？解答涡流也称付科流。即迅速变化的磁场在导体内产生的感生电流，是在垂直于磁场方向的平面内沿环流流通的电流（其形状象水的涡流）。变化的磁场产生的电场称为感应电场。实验室可提供的主要器材1.由上海大学电子设备厂生产的电磁感应实验仪一台，主要器件有线圈和软铁棒，组成如图1所示。图 1 电磁感应仪图 2 电磁感应电源面板接线2.MSU1电磁感应电源一台，面板接线如图2所示。3.小铝环2只（其中1只有切割的缝隙），等厚但外径较小的小铝环1只。 4.小铜环2只（其中1只为黄铜环，另1只为纯铜环，小软铁环1只，小钢环1只。 5.塑料环1只，游标卡尺1把，电子天平1台。 6.由铜线绕制的线圈环1只，并在线圈环上接有小电珠。实验内容1.将小铝环套在MSU1电磁感应实验仪的软铁棒上，接好连接线。将MSU1电磁感应实验电源调到零电压的输出位置，交流档将开关合上，逐渐增大调压变压器的输出电压，小铝环将逐渐上升并悬浮在软铁棒上，用同体积的黄铜环和纯铜环做上述实验，会发现在外界条件（如电压）相同的情况下，这3个环在软铁棒上所处的高度却不一样。 提示这三个环在软铁棒上所处的位置从高到低依次为纯铜环铝环黄铜环。2.用电子天平称出上述三个小环的重量 , 用游标卡尺测量它们的体积，找出它们上升高度不同的原因。提示三个环的重量从重到轻依次为纯铜环黄铜环铝环。它们的体积经测量相等。上升高度不同的原因是材料的电阻率不一样，例如在18C时纯铜为0.0168106m ；铝为0.027106m ；黄铜为0.0656m。虽然3个小环都有重力，但在此实验中显然已不起主导作用了，起主导作用的是安培力。3.用小的软铁环套在MSU1电磁感应实验仪的软铁棒上，重复实验内容1的操作，会发现小的软铁环几乎是粘在软铁棒上，用手将其套在软铁棒的任意高度处，都会被软铁棒吸住，这是为什么？提示这是软铁环被磁化的原因。4.用塑料环和有缝隙的小铝环做上述实验，会发现什么现象？有缝隙的小铝环焊上 1 根铜线会有什么变化？提示塑料环由于电阻率极大（如聚氯乙烯达10101014m不会产生电磁感应，而有缝隙的小铝环，也不能形成闭合回路，故也不会产生电磁感应。如在铝环的缝隙处焊上一根铜线，虽形成了闭合回路但铝环仍然不会悬起，因为此时电阻仍太大，感生电流太小，磁场产生的悬浮力也太小。5.用等厚但外径不一样的小铝环做上述实验，和实验内容1中的小铝环相比，会发现什么现象？如何解释？提示外径大的小铝环悬浮得稍高，在此电磁感应产生的安培力仍起主要作用，重力的作用仍是次要的，当然由于仪器的原因，外径不能无限大。6.实验内容1的实验过程中，MSV-1电磁感应实验仪的软铁棒和套入的金属小环为什么会发热？提示这是由于电能的一部分转化为热能，其原因是涡电流在起作用。它能使导体发热，大量消耗电能。7. 实验时用铜线绕成的线圈环套入软铁棒，线圈环中的小电珠为什么会发亮？其亮度为什么会随线圈环离软铁棒的距离呈递减趋势？提示这是感应电场在起作用，由于软铁棒通以交变的电流，于是棒周围便有变化的磁场产生的电场，把串联着许多小灯泡的闭合导线回路的线圈环套入软铁棒，电场迫使回路中的电子作定向运动，形成电流，灯泡发亮。而亮度随线圈环离软铁棒的距离呈递减，这是磁感应强度的作用，磁感应强度和距离有关。8.取小钢环套入软铁棒，其圆心和软铁棒的中心处于偏心状态，打开MSV-1电磁感应实验仪的开关，会发现小钢环发生振动，偏心量逐渐扩大，直到钢环的环壁碰到软铁棒为止。解释这种现象。提示钢是合金，有的能产生电磁感应现象（如碳钢），有的不能产生电磁感应现象（如不锈钢），本实验必须用碳钢。 偏心量逐渐扩大 的原因是靠近 软铁棒 处的磁场强，产生的吸引力也更大。实验报告要