磁悬浮实验讲义

试验6-5电磁感应与磁悬浮力

试验目的、意义和要求

电磁学之所以快速进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很多应用。

本试验就是要通过•些电磁感应现象的揭示，悟出其中的原理和奥妙，并争论它的现象和磁

力对各种材料的影响，研讨其在现实生活中的应用和进展，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

cr=1.5x107(S/m)和网=4几x10-7(H/m)

趋腹深度(穿透深度)为

3=」二一=J----------：--------------——----------------7=2.72X10-5(cm)

yV1.5x107x27tx2.29x10x4Kx101

试验前应回答的问题

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.楞次定律说明白什么？此试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。在此试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状况，其公式为F=I3lLs\na.

。为磁场方向与电流方向的夹角“为磁感应强度，/为导线中的电流，L为导线长度。作用

力厂的方向可用左手定则确定。此公式也可称为安培定律。

4.说明磁场强度及其时电流的关系？

解答磁场强度是描写磁介质中磁场的一个帮助量。磁介质中的磁场不仅与磁介质中的

-»

->B

H=--M

磁化电流有关，更和场源的电流有关，磁场强度力定义为〃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？

解答变压器是采用电磁感应原理来转变电压和电流的一种电气设施，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力之比，即《/邑=勺/%。

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？

解答采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，最简单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掌握，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.即快速空化的磁场在导体内产牛的感牛电流.是在垂吉于磁场

方向的平面内沿环流流通的电流（其外形象水的涡流）。变化的磁场产生的电场称为感应电

场。

试验室可供应的主要器材

1.由上海高校电子设施厂生产的电磁感应试验仪一台，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.MSU-1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。

试验内容

1.将小铝环套在MSU—1电磁感应试验仪的软铁棒上，接好连接线。将MSU-1电

磁感应试验电源调到零电压的输出位置，沟通档将开关合上，渐渐增大调压变压器的输出电

压，小铝环将渐渐提升并悬浮在软铁棒上，用同体积的黄铜环和纯铜环做上述试验，会发觉

在外界条件（如电压）相同的状况下，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一铝环一黄铜环。

2.用电子天平称出上述三个小环的重量，用游标k尺测昼它们的体积，找出它们上提

升度不同的缘由。

提示三个环的重量从重到轻依次为纯铜环一黄铜环一铝环。它们的体积经测量相等。

上提升度不同的缘由是材料的电阻率不一样，例如在18℃时纯铜为0.0168义10-6。01；

铝为0.027IO-6Cm；黄铜为0.065-6Cm。虽然3个小环都有重力，但在此试验中明显

己不起主导作用了，起主导作用的是安培力。

3.用小的软铁环套在MSU-1电磁感应试验仪的软铁棒上，重复试验内容I的操作，

会发觉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缘由。

4.用塑料环和有缝隙的小铝环做上述试验，会发觉什么现象？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101（）〜1014Qm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旧不会悬起，由于此时电阻仍太大，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试验，和试验内容1中的小铝环相比，会发觉

什么现象？如何解释？

提示外径大的小铝环悬浮得梢高，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，当然由于仪器的缘由，外径不能无限大。

6.试验内容1的试验过程中，MSV-1电磁感应试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，其缘由是涡电流在起作用。它能使导体发热,

大量消耗电能。

7.试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，于是棒四周便有变化的磁

场产生的电场，把串联着很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

应试验仪的开关，会发觉小钢环发生振动，偏心量渐渐扩大，直到钢环的环壁遇到软铁棒为

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），本试验必需用碳钢。偏心量渐渐扩大的缘由是靠近软铁棒处