實驗二磁懸浮

實驗二磁懸浮第1頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六1.盤狀線圈

1個規(guī)格：N=250匝，內(nèi)徑R1=31mm，外徑R2=195mm，厚度h=12.5mm，質(zhì)量M=3.1kg

2.鋁質(zhì)導(dǎo)板2個規(guī)格：（1）厚度b=14mm（2）厚度b=2mm 電導(dǎo)率γ=3.82107S/m

3.自耦變壓器1個

規(guī)格：0~100V，0~30A，50Hz一、實驗儀器電子信息工程學(xué)院第2頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六1.觀察自穩(wěn)定的磁懸浮物理現(xiàn)象2.了解磁懸浮的作用機理及其理論分析的基礎(chǔ)知識3.在理論分析與實驗研究相結(jié)合的基礎(chǔ)上，力求深化對磁場能量、電感參數(shù)和電磁力等知識點的理解

二、實驗?zāi)康碾娮有畔⒐こ虒W(xué)院第3頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六三、實驗原理（1）自穩(wěn)定的磁懸浮物理現(xiàn)象

由盤狀載流線圈和鋁板相組合構(gòu)成磁懸浮系統(tǒng)的實驗裝置，如圖1所示。該系統(tǒng)中可調(diào)節(jié)的扁平盤狀線圈的激磁電流由自耦變壓器提供，從而在50Hz正弦交變磁場作用下，鋁質(zhì)導(dǎo)板中將產(chǎn)生感應(yīng)渦流，渦流所產(chǎn)生的去磁效應(yīng)，即表征為盤狀載流線圈自穩(wěn)定的磁懸浮現(xiàn)象。電子信息工程學(xué)院第4頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六三、實驗原理圖1

磁懸浮裝置(b)盤狀線圈截面圖R2R1N匝(a)磁懸浮系統(tǒng)示意圖盤狀線圈b鋁板hA220V~電子信息工程學(xué)院第5頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六三、實驗原理（2）基于虛位移法的磁懸浮機理的分析在自穩(wěn)定磁懸浮現(xiàn)象的理想化分析的前提下，根據(jù)電磁場理論可知，鋁質(zhì)導(dǎo)板應(yīng)被看作為完純導(dǎo)體，但事實上當激磁頻率為50Hz時，鋁質(zhì)導(dǎo)板僅近似地滿足這一要求。為此，在本實驗裝置的構(gòu)造中，鋁質(zhì)導(dǎo)板設(shè)計的厚度b還必須遠大于電磁波正入射平表面導(dǎo)體的透入深度d（bd）。換句話說，在理想化的理論分析中，就交變磁場的作用而言，此時，該鋁質(zhì)導(dǎo)板可被看作為“透不過的導(dǎo)體”。電子信息工程學(xué)院第6頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六對于給定懸浮高度的自穩(wěn)定磁懸浮現(xiàn)象，顯然，作用于盤狀載流線圈的向上的電磁力必然等于該線圈的重量。本實驗中，當通入盤狀線圈的激磁電流增大到使其與鋁板中感生渦流合成的磁場對盤狀載流線圈作用的電磁力足以克服線圈自重時，線圈即浮離鋁板，呈現(xiàn)自穩(wěn)定的磁懸浮物理現(xiàn)象?？捎锰撐灰品▉砬笞饔糜谠摯艖腋∠到y(tǒng)的電動推斥力。三、實驗原理電子信息工程學(xué)院第7頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六首先，將圖中所示盤狀載流線圈和鋁板的組合看成一個磁系統(tǒng)，則其對應(yīng)于力狀態(tài)分析的磁場能量三、實驗原理式中，I為激磁電流的有效值。取表征盤狀載流線圈與鋁板之間相對位移的廣義坐標為h（即給定的懸浮高度），則按虛位移法可求得作用于該系統(tǒng)的電動推斥力，也就是作用于盤狀載流線圈的向上的電磁懸浮力為：

(1)

電子信息工程學(xué)院第8頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六

在鋁板被看作為完純導(dǎo)體的理想化假設(shè)的前提下，應(yīng)用鏡像法，可以導(dǎo)得該磁系統(tǒng)的自感為三、實驗原理—盤狀線圈被理想化為單匝圓形線圈時的平均半徑；式中:—線匝數(shù)；

—導(dǎo)線被看作圓形導(dǎo)線時的等效圓半徑。

(2)

電子信息工程學(xué)院第9頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六從而，由穩(wěn)定磁懸浮狀態(tài)下力的平衡關(guān)系，即三、實驗原理式中，M——盤狀線圈的質(zhì)量(kg)；

g——重力加速度(9.8m/s2)；進一步代入關(guān)系式(2)，稍加整理，便可解出對于給定懸浮高度h的磁懸浮狀態(tài)，系統(tǒng)所需激磁電流為(3)電子信息工程學(xué)院第10頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六

1.觀察自穩(wěn)定的磁懸浮物理現(xiàn)象四、實驗內(nèi)容在給定厚度為14mm的鋁板情況下，通過調(diào)節(jié)自耦變壓器以改變輸入盤狀線圈的激磁電流，從而觀察在不同給定懸浮高度h的條件下，由于鋁板表面層中渦流所產(chǎn)生的去磁效應(yīng)，而導(dǎo)致的自穩(wěn)定的磁懸浮物理現(xiàn)象；電子信息工程學(xué)院第11頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六

2.實測對應(yīng)于不同懸浮高度的盤狀線圈的激磁電流四、實驗內(nèi)容在厚度為14mm的鋁板情況下，以5mm為步距，對應(yīng)于不同的懸浮高度，逐點測量穩(wěn)定磁懸浮狀態(tài)下盤狀線圈中的激磁電流，記錄其懸浮高度h與激磁電流I的相應(yīng)讀數(shù)。電子信息工程學(xué)院第12頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六基于厚度為14mm的鋁板情況下懸浮高度h與激磁電流I的相應(yīng)讀數(shù)，給出實測值與理論分析結(jié)果之間的比較，并討論其相互印證的合理性。五、實驗報告要求實測值計算式：理論值計算式：電子信息工程學(xué)院第13頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六（1）本實驗中采用的是N=250匝的扁平盤狀線圈，而不是單匝的圓形線圈；（2）線圈內(nèi)外半徑從R1=31mm到R2=195mm變化很大，故關(guān)于近似電感計算式(2)中參數(shù)L0=μ0aN2的計算，其中平均半徑a可取為(R1+R