渦流制動演示實驗裝置制作

楊清雷 劉珂 王澤華 朱國全 唐亞明

(青島科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院 山東 青島 266042)

我們通過自制的演示實驗裝置，直觀形象地展示電磁場與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，演示了渦流效應(yīng)和基于這種效應(yīng)的一種應(yīng)用——渦流制動．給物理實驗教學(xué)帶來了很好的效果．

1 演示實驗裝置的基本組成和工作原理

本演示實驗裝置由直流電磁鐵、交流電磁鐵、交(直)流可調(diào)電源、調(diào)速電機、霍爾測速組件、支(托)架等組成．演示實驗裝置示意圖如圖1所示．

圖1 演示渦流制動實驗裝置示意圖

交(直)流可調(diào)電源分別給直流電磁鐵、交流電磁鐵提供電流，建立各自相應(yīng)的磁場，作用在旋轉(zhuǎn)的鋁盤上；直流調(diào)速電機通過改變加在它上面的電壓，來實現(xiàn)其轉(zhuǎn)速的改變，從而帶動鋁盤在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)；霍爾測速組件由鋁盤邊沿粘貼的小磁鋼、集成開關(guān)型霍爾元件、轉(zhuǎn)速表組成．支架上固定安放的集成開關(guān)型霍爾元件，通過數(shù)據(jù)線連到轉(zhuǎn)速表上，對鋁盤的轉(zhuǎn)速實時觀測．圖2為演示渦流制動實驗裝置實物圖．

圖2 演示渦流制動實驗裝置實物圖

本演示實驗裝置，可以研究外加直流(或交流)磁場與電機轉(zhuǎn)矩、圓盤轉(zhuǎn)速以及制動時間的關(guān)系，從而展示渦流在制動方面的作用．該裝置能夠測量、顯示電機的輸入電壓、電機的電樞電流、電機轉(zhuǎn)速和電磁鐵的磁感應(yīng)強度等物理量．下面，以只外加直流磁場為例，對本裝置演示內(nèi)容加以說明和討論．

渦流制動演示實驗裝置的原理如圖3所示, 其主要部件是固定在轉(zhuǎn)子上并與之同步旋轉(zhuǎn)的鋁圓盤和固定在支架上的電磁鐵．當電磁鐵靠近轉(zhuǎn)動的鋁圓盤時, 它產(chǎn)生的磁場使鋁圓盤的表面產(chǎn)生渦流．由于這種渦流產(chǎn)生的阻磁場的影響, 在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的反方向上作用了洛倫茲力，導(dǎo)體中的電流在磁場中受到力的作用阻止導(dǎo)體的運動．此外, 導(dǎo)體中的電流產(chǎn)生熱功率．根據(jù)能量守恒定律, 阻止導(dǎo)體運動的功率與電流的熱功率相等, 熱功率所做的功使鋁圓盤的動能減少, 也起到了制動的效果．

圖3 制動力產(chǎn)生原理圖

2 渦流制動演示實驗裝置可觀測的內(nèi)容

(1)研究和觀測電磁鐵的勵磁電流與磁感應(yīng)強度的關(guān)系

為了安裝和測量方便, 我們把高斯計傳感測試頭緊貼在鋁盤的端面上．本實驗中測量的磁場均為鋁盤端面處的磁場．在鋁盤靜止時，改變電磁鐵的勵磁電流I勵磁，測量鋁盤端面處的磁感應(yīng)強度，得到對應(yīng)的B-I勵磁曲線，如圖4所示．

圖4 磁感應(yīng)強度與磁鐵勵磁電流間的關(guān)系曲線

從圖4可以看出，電磁鐵的勵磁電流與磁感應(yīng)強度成正比．因此可以通過調(diào)節(jié)其勵磁電流來改變磁感應(yīng)強度的大小．由圖2所示演示實驗裝置可以看到，直流電磁鐵(或交流電磁鐵)通過它們的支(托)架，能方便地調(diào)節(jié)鋁盤與電磁鐵間的氣隙，也能改變加在鋁盤表面的磁場大小．

(2)研究和觀測電磁鐵機構(gòu)的磁感應(yīng)強度與制動盤制動力關(guān)系

保持電機所加電壓為15 V不變，鋁盤與電磁鐵之間的氣隙分別調(diào)整為3 mm，6 mm，9 mm, 磁感應(yīng)強度從0 ～ 28.0 mT變化時，測取電機轉(zhuǎn)速和電機電樞電流，得到對應(yīng)的I電樞-B關(guān)系曲線，如圖5所示．其中l(wèi)表示鋁盤與電磁鐵間的氣隙．

圖5 電樞電流與磁感應(yīng)強度的關(guān)系曲線

從圖5可以看出，電機帶動鋁圓盤勻速轉(zhuǎn)動，在電機所加電壓不變的情況下，將電磁鐵靠近轉(zhuǎn)動的鋁圓盤，電磁鐵產(chǎn)生的磁場使圓盤的表面產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的阻磁場在轉(zhuǎn)動圓盤的反方向上產(chǎn)生了洛倫茲力，這個反作用力對轉(zhuǎn)動的圓盤起到制動作用，反映到電機上表現(xiàn)出來的狀況是電機負載加大，即電樞電流增大．

圖5中I電樞-B關(guān)系曲線表明，當鋁盤與電磁鐵之間的氣隙固定在某一位置時，制動盤所受的制動力都隨電磁鐵的磁感應(yīng)強度的增加而增大；在同一磁感應(yīng)強度條件下，制動盤所受的制動力隨著鋁盤與電磁鐵之間的氣隙減小而增大．這也驗證了我們的理論分析．

(3)研究和觀測制動盤轉(zhuǎn)速與制動力之間的關(guān)系

理想直流電機的特性是所加電樞電壓不變，則電機轉(zhuǎn)速也不隨負載變化而變化．實際在上述條件下，觀測可得圖6，可以看出，實際上隨著負載的增大，電機的轉(zhuǎn)速有所下降．ω-B關(guān)系曲線也作了直觀反映，并且，鋁盤與電磁鐵之間的氣隙越小，這個現(xiàn)象就越明顯．

圖6 轉(zhuǎn)速與磁感應(yīng)強度的關(guān)系曲線

3 制動時間的比較

電機勻速轉(zhuǎn)動時，突然去掉電機電壓，同時在轉(zhuǎn)動的圓盤表面加上磁場，并改變磁場大小，測量圓盤從勻速轉(zhuǎn)動到停止時所需要的時間，結(jié)果如表1所示．

表1 制動時間的測量

從表1可以看出，加在金屬圓盤表面的磁感應(yīng)強度越大，制動力越大，制動時間越短，制動效果也就越明顯．

4 結(jié)論

(1)裝置直觀形象地展示了電磁場與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，有助于加深學(xué)生對電磁場知識的深入理解，充實了電磁場實驗教學(xué)內(nèi)容．并讓學(xué)生看到渦流制動在高速列車、汽車的緩速、制動等場合具有很強的應(yīng)用背景．

(2)裝置設(shè)計、安裝調(diào)試和實驗演示全過程，是我校設(shè)計性物理實驗項目內(nèi)容．極大地吸引了學(xué)生到實驗室來動手，鼓舞了他們創(chuàng)新的熱情．學(xué)生拿著自己制作的這套裝置，參加了2016年山東省第八屆大學(xué)生物理科技創(chuàng)新大賽，獲得了一等獎．