過山車快速停下的秘密

黃才發

為何很多電表把線圈繞在閉合的鋁框上？電氣列車中的電磁制動器如何工作的？掃描隧道顯微鏡（STM）如何有效隔離外界振動對其的擾動？靈敏電流計在運輸過程中，為何在兩個接線柱上接上一根導線？

這些都跟電磁阻尼有關。當閉合回路導體在磁場中做切割磁感線運動時產生感應電流，使導體受到安培力，安培力阻礙導體的運動，這種現象稱為電磁阻尼。電磁阻尼是一種十分普遍的物理現象，任何相對磁場運動的導體，只要有感應電流通過，就會存在電磁阻尼作用。

使用磁電式電表測量時，由于指針轉動軸的摩擦力矩很小，若沒有采取措施，線圈及指針會在指示值附近來回擺動，不易穩定下來。故而，很多電表把線圈繞在閉合的鋁框上，當線圈擺動時，在閉合鋁框中產生感應電流，感生電流在磁場中所受力方向與鋁框運動方向相反，因而能阻礙表針運動，可使線圈及表針快速穩定在指示值位置。

靈敏電流計搖動后，讓指針有較大的擺動幅度，停止搖動后，發現指針要擺動多次，經過一定時間才能停止下來。如果在兩個接線柱上接上一根導線（短路線），可發現指針擺幅迅速減小，比不連導線時擺動的時間要短得多。這是由于與指針相連的線圈在磁場中擺動時產生了感應電流，線圈受到安培力形成的阻力矩作用，使指針擺幅迅速衰減，從而起到阻尼保護的作用。故在搬動或運輸靈敏電流計過程中，應在兩個接線柱上接上一根導線，避免電流計受到振動指針振幅過大而被撞彎或軸尖脫落等情況發生。

掃描隧道顯微鏡（STM）可用來探測樣品表面原子尺度上的形貌。為了有效隔離外界振動對其的擾動，在圓底盤周邊沿其徑向對稱地安裝若干對紫銅薄板，通過施加磁場來快速衰減其微小振動。無擾動時，對紫銅薄板施加恒定磁場。一旦出現擾動，紫銅薄板上下或左右振動產生渦電流，渦流產生的磁場總要阻礙紫銅薄板在磁場中的運動，從而使其快速穩定下來。

電磁阻尼現象廣泛應用于需要穩定摩擦力以及制動力的場合，如電表、電磁制動機械等。電氣列車中的電磁阻尼器在產生阻尼力的過程中，初級回路和次級回路沒有直接接觸，有噪聲小、維護方便、可靠性高、阻尼力可調的優點，因此電磁阻尼器在工程領域中的應用非常廣泛，其中在電磁制動領域中應用最為廣泛。例如高速列車（如動車）、電車和磁懸浮列車等的制動系統中電磁制動器就是根據電磁阻尼原理制成的，像磁懸浮列車利用渦電流達到減速目的。

游樂場中過山車的“磁力剎車裝置”，道理也一樣。在過山車兩側安裝銅片，停車區的軌道兩側安裝強力磁鐵，當過山車進入停車區的過程中兩側的銅片會產生感應電流，銅片受到安培阻力使過山車減速，讓過山車能很快地停下。電磁緩速器是車輛上提高運行安全性的輔助制動裝置，其工作原理也是利用電磁阻尼作用減緩車輛的速度。

金屬處于變化的磁場中，金屬內部將產生感應電流渦流。渦流的磁場總是阻礙導體與原磁場的相對運動。當導體與磁場相對運動時，感應電流受到的安培力阻礙它們的相對運動，利用安培力阻礙導體與磁場間的相對運動就是電磁阻尼。反之，如果磁場相對于導體轉動，在導體中會產生感應電流，感應電流使導體受到安培力的作用，安培力使導體運動起來，安培力是導體運動的動力，這種現象稱為電磁驅動。電磁驅動在實際生活中的應用也很廣泛，家庭中用的電能表，汽車上用的電磁式速度表（轉速表）、航母上飛機的電磁彈射以及感應電動機等，都是利用電磁驅動原理制成的。

在電磁驅動現象中，導體在安培力作用下的運動速度總要比磁場的運動速度慢一些，原因是什么？原來在電磁驅動現象中，安培力的作用效果是阻礙相對運動，如果導體速度和磁場速度一樣，則兩者相對速度為零，便不會產生感應電流，這時電磁驅動作用就會消失，所以導體的運動速度要小于磁場的運動速度。感應電動機（異步電動機）就是依據該原理制成的。電磁驅動作用可用來制造測量轉速的電表，這類轉速表常稱為磁性轉速表。

電磁驅動具有動能轉化機械磨損率低的優點，同時電磁驅動作為一個零接觸的驅動方式，是一種新能源，低碳的理念與可持續發展的戰略相吻合，電磁驅動越來越被人們所重視，目前已經運用到各行各業，小到孩童時代的四驅車馬達，大到工業應用的驅動裝置，如感應電機、電磁驅動棒、磁懸浮列車電磁驅動器等。

下面讓我們來做小實驗吧

[器材]

廢舊鋁鍋蓋、釹鐵硼磁鐵、棉線、手機支架、剪刀、螺母、電飯煲內膽（鋁質材料）

1[亦驅亦阻]

用剪刀從鋁鍋蓋上剪下鋁片一塊，用棉線穿過鋁片掛在手機支架上。磁鐵靠近鋁片左右擺動（兩者并未接觸，磁鐵也不會吸引鋁片），發現鋁片跟著左右擺動，只不過速度小于磁鐵速度。若先讓鋁片擺動起來，當磁鐵靠近鋁片時，發現鋁片很快停止擺動。

2[電磁阻尼]

對比實驗：各7 片磁鐵吸住螺母，用兩根長度相同的棉線穿過螺母固定在支架上，一個靠近（只是靠近并未接觸，磁鐵也不會吸引鋁片）磁鐵下方放個鋁質電飯煲內膽，把兩磁鐵拉離相同幅度靜止釋放，發現下方有鋁鍋的很快停下。