基于單片機的電磁阻尼擺實驗系統

摘 要：高中物理教材選修3-2提到，當導體在磁場中運動時，感應電流會使導體受到安培力的作用，安培力的方向總是阻礙導體的運動，這種現象被稱之為電磁阻尼。為了驗證電磁阻尼現象搭建了以單片機為主處理器的電磁阻尼擺實驗系統。

關鍵詞：電磁阻尼擺；單片機；加速度傳感器

引言

電磁阻尼現象源于電磁感應原理，宏觀現象即為當閉合導體與磁體發生相對作用時，兩者之間會產生電磁阻力，阻礙相對運動。這一現象可以用楞次定律解釋，即閉合導體與磁體發生切割磁感線的運動，由于閉合導體所穿透的磁通量發生變化，閉合導體會產生感應電流，這一電流產生的磁場會阻礙兩者的運動，其阻力大小正比于磁體的磁感應強度和導體與磁體之間的相對運動速度。電磁阻尼現象廣泛運用于需要穩定摩擦力以及制動力的場合，例如磁電式電表中安裝的使指針快速停下來的鋁框和電磁制動機械等[1]。

1 系統組成

為了能夠觀察金屬擺在電磁磁場中由于渦流的存在而受到安培力，搭建如圖1的電磁阻尼擺實驗系統。該系統主要由單片機開發板、電磁鐵、鋁擺、角度測量傳感器和電源等組成。角度測量系統的硬件組成框圖如圖2所示。

系統中磁場由吸盤式電磁鐵產生，電磁鐵型號為LS-P50/27，吸力可達500N，標稱功率8W，實測功率為8.4W，如圖1所示。試驗中長時間的電磁鐵表面溫度會升高。

2 角度解算

在將傳感器固定到金屬擺上時，使y軸的正向與地面垂直，x軸的正向與地面平行，z軸的方向由右手螺旋定則確定。

3 電磁阻尼試驗與數據處理

為了驗證導體在磁場中運動會受到電磁阻尼，故進行對比試驗。將實驗分為加載電磁阻尼和不加載電磁阻尼兩種。試驗時，令金屬擺的釋放角度一致，控制唯一變量即電磁阻尼而排除其他變量的干擾從而驗證唯一變量的作用。

由于安裝的系統支架的安裝誤差以及MPU6050傳感器的安裝誤差，導致在金屬擺處于靜止時的轉角非零。所以需要對數據進行預處理，系統中采用軟件的方法對初始誤差進行校正[3]，校正算法如公式（2）所示。

觀察圖3和圖4可以看出，兩次釋放的初始轉角均為78°，不加載電磁阻尼的金屬擺在擺動15次之后轉角的幅值才降到10°以下，加載電磁阻尼的金屬擺僅擺動6次之后轉角的幅值已降到10°以下，加載電磁阻尼的金屬擺很快在電磁阻尼的作用下停止擺動。

4 結束語

本實驗系統能夠正確反映當閉合導體與磁極發生相對運動時，兩者之間會產生電磁阻力，阻礙相對運動的現象[4]，而且本系統也是電子技術在物理試驗中的應用，可以提高學生等群體對于電子技術和物理實驗的興趣，可以作為電磁阻尼現象的教學演示設備[5]。

參考文獻

[1]佚名.電磁阻尼擺[EB/OL].[2016-10-20].http：//www.pep.com.cn/gzwl/xszx/tswl/201009/t20100907_886101.htm.

[2]Christopher J.Fisher.Using an Accelerometer for Inclination Sensing[Z/OL].http：//www.analog.com/media/cn/technical-documentation/application-notes/AN-1057_cn.pdf

[3]張春飛，羅家融.軟件去除零點漂移的討論[J].計算機測量與控制，2004，12（7）：684-686.

[4]物理課程教材研究開發中心.物理（選修3-2）[M].北京：人民教育出版社，2006，26-29.

[5]錢小君.單片機控制的單擺實驗系統[J].物理實驗，2009，29（4）：30-32.

作者簡介：趙伊慧（1999-），女，漢族，海口中學高三2班。