磁悬浮原理.doc

磁悬浮原理实验目的1.观察自稳定的磁悬浮物理现象；2.深化学生对磁悬浮的原理的认识；3.培养动手观察思考能力，锻炼较强的耐心。实验原理1. 磁学基本知识磁性：物质能吸引铁、钴、镍等金属的特性。磁体：具有磁性的物体。 磁极：磁体上磁性最强的部分就是磁极。当把两块磁铁放在一起相互靠近时，有时候互相吸引，有时候相互排斥。现在人们都知道磁体有两个极，一个称N极，一个称S极。同性极相互排斥，异性极相互吸引。磁极是由环形电流元产生。磁力是由于电荷运动所产生的基本力。地球也是一个大磁体，它的两个极分别在接近地理南极和地理北极的地方。因此地球表面的磁体，可以自由转动时，就会因磁体同性相斥，异性相吸的性质指示南北。地球磁场的磁极和地理上的南北级方向正相反，而且和地球南北极并不重合，两者之间有一个11度左右的夹角，叫磁偏角。此外地球磁场的磁极位置不是固定的，它有一个周期性变化。地磁场强度很弱,在最强的两极其强度不到10-4(T), 平均强度约为0.610-4(T)。 2. 磁悬浮磁悬浮就是运用磁体“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁体具有抗拒地心引力的能力悬浮起来，即“磁性悬浮”。目前世界上有三种类型的磁悬浮。一是以德国为代表的常导电式磁悬浮，二是以日本为代表的超导电动磁悬浮，这两种磁悬浮都需要用电力来产生磁悬浮动力。而第三种，就是我国的永磁悬浮，它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他动力支持。（1）电磁悬浮系统（electromagnetic levitation )：简称EML技术。它的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属球的悬浮。 将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈上时，高频电磁场会在金属材料表面产生一高频涡流，这一高频涡流与外磁场相互作用，使金属样品受到一个洛沦兹力的作用。在合适的空间配制下，可使洛沦兹力的方向与重力方向相反，通过改变高频源的功率使电磁力与重力相等，即可实现电磁悬浮。一般通过线圈的交变电流频率为104105Hz 。 本实验就是应用此技术让陀螺悬浮起来的。（2）超导磁悬浮：利用超导体的磁绝缘性（超导体是唯一的磁绝缘体）以及超导体的磁钉扎现象，采用永磁体和超导磁体的联合悬浮。（3）全永磁悬浮 ：采用 “李氏拉推磁路”理论， 完全由永磁体构成、不带任何控制系统的全永磁悬浮技术，突破了恩肖定理，是磁悬浮技术的原始性创新。3. 磁悬浮列车磁悬浮列车利用“同性相斥，异性相吸”的原理，让磁铁具有抗拒地心引力的能力，使车体完全脱离轨道，悬浮在距离轨道约1厘米处，腾空行驶，创造了近乎“零高度”空间飞行的奇迹。磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型，以德国高速常导磁浮列车transrapid为代表，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400500公里，适合于城市间的长距离快速运输。而超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以日本MAGLEV为代表。它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上。这两种磁悬浮列车各有优缺点和不同的经济技术指标，德国青睐前者，集中精力研制常导高速磁悬浮技术;而日本则看好后者，全力投入高速超导磁悬浮技术之中。世界第一条磁悬浮列车示范运营线上海磁悬浮列车，建成后，从浦东龙阳路站到浦东国际机场，三十多公里只需67分钟。上海磁悬浮列车是“常导磁吸型”（简称“常导型”）磁悬浮列车。是利用“异性相吸”原理设计，是一种吸力悬浮系统，利用安装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁，和铺设在轨道上的磁铁，在磁场作用下产生的吸力是车辆浮起来。实验仪器磁悬浮陀螺、电子天平、数字特斯拉计、直尺磁悬浮陀螺是由磁性陀螺和磁性底盘组成，其中磁性底盘是由壳体和永磁体构成。底盘磁铁用大小相等、场强均匀的四块磁钢按相同侧相同磁场拼接在一起，使得拼成一块磁钢后，外侧磁场强度强，中心磁场较弱，以产生磁场梯度。由于是拼成的，所以在整个表面产生旋转磁场。陀螺磁场与底盘磁场相对一面同性相斥，在轻轻旋转陀螺时，在底盘和陀螺的同性磁场斥力和底盘磁场旋转力的作用下，陀螺被斥，并在底盘中心上方自由旋转。实验时用手拿住磁性陀螺旋柄，放在置于磁性底盘上面的托板的中心位置，然后，转动磁性陀螺。用托板将磁性陀螺抬到一定高度时，磁性陀螺即可在磁性底盘的上空旋转，如图1所示。图1 旋转中的陀螺为了达到磁性陀螺的磁悬浮效果，避免磁悬浮陀螺在向上托起时易倾斜倒下或飞出去。实验前，先用调节支脚将盘体调节成水平状态，使向上的磁力线分布均匀且垂直。启动陀螺旋转将其放在转台上，再小心地用转台将陀螺托起，当向上的磁性排斥力和陀螺重量平衡时即能使陀螺悬浮在空中旋转。由于事先把底座调节成水平，可大大减少因受力不匀而使陀螺倾斜倒下或飞出去的失误现象，增加了成功的机率。 图2 数字特斯拉计SG-41/42型数字特斯拉计是根据霍尔效应原理设计的台式数字式特斯拉计，如图2所示。它具有量程宽（10T）、分辨力高（10T）、性能稳定、读数清晰准确等特点。该仪器由41/2位LED发光字符显示，电子线路部分具有0.05的线性度，仪表的准确度主要取决于霍尔元件的磁线性度与稳定性。SG41型特斯拉计具有0.5%的准确度，而SG42型特斯拉计的准确度为1%。本仪器具有模拟输出口，可外接示波器、函数记录仪或其他测量仪表，用以观察磁场的变化波形，间接测量交流磁场的平均值、有效值或峰值。 同时，本仪器具有显示清晰、操作简便、性能可靠的特点。实验内容与要求1调节磁性底盘水平：用调节支脚将盘体调节成水平状态，使向上的磁力线分布均匀且垂直。2用手拿住磁性陀螺旋柄，放在置于磁性底盘上面的托板的中心位置，然后，转动磁性陀螺。用托板将磁性陀螺抬到一定高度时，磁性陀螺即可在磁性底盘的上空旋转。3使用电子天平测量磁陀螺在不同高度时的磁悬浮力。将磁性底盘平放在电子天平，调节天平示数归零，然后将磁陀螺借助配有刻度的支架悬浮在磁性底盘上不同高度，记下高度值和此时电子天平的示数。记录下不同高度处，磁陀螺所受的磁悬浮力。4使用数字特斯拉计测量磁性底盘的磁场分布。首先对仪器进行调零，按下200mT量程开关，拉下探头保护套，将探头至于磁屏蔽盒内或使探头平面平行于地球磁力线（探头面向东西方向），调节调零电位器，使仪器显示为零。然后进行磁性底盘磁场分布的测量，将探头移至待测磁场位置，调节探头的方位、角度，使仪器显示出最大值。记录下最大值，即测量值。如果出现所有字符闪跳，表示此时已超量程，应改变量程选择开关，继续测