磁体与非磁性导体相互作用的实验装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种磁体与非磁性导体相互作用的实验装置，包括非磁性金属气垫导轨，非磁性金属气垫导轨的通道上设有多个光电门，非磁性金属气垫导轨上设有非磁性金属滑块，非磁性金属滑块上设有磁体，非磁性金属滑块的上部设有挡光片，光电门的输出接到单片机处理电路。本实用新型专利技术在传统气垫导轨实验基础上加以改进，这样既能进行原来的传统气垫导轨实验，又能够很好地由实验分析永磁体与金属导轨的相互作用力的规律，加深学生对电磁感应现象的认识作用，有助于培养学生探索创新的能力。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种实验装置，特别涉及一种磁体与非磁性导体相互作用的实验装置。
技术介绍
非磁性运动导体与静止磁体或静止非磁性导体与运动磁体间的相互作用效应被广泛应用在磁悬浮轴承、磁制动刹车、磁阻尼抗震和非接触驱动等装置中。其相互作用的原理是基于二者在相对运动时产生的电磁感应效应。但该相互作用体系在一般的物理教科书中基本没有涉及，国际上也仅有前苏联的物理学家朗道和美国的物理学家史密斯在电动力学中有过较系统的描述。关于运动磁体与非磁性导体相互作用力的实验，由于一般条件下重力和摩擦力等外力的干扰，不容易获得精确定量且可重复的实验结果，因而在一般的大学物理实验中很少有这类实验开出，仅有一些定性的如永磁体在铜或铝管中下滑或金属在磁场中的阻尼摆动一类的演示实验来展示电磁感应产生的相互作用现象。多年来人们在研究运动非磁性金属与磁场的相互作用时，均采用旋转的运动导体与磁体的作用方式。由于旋转运动的引入，增加了实验结果分析的复杂性。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种结构简单、成本低的磁体与非磁性导体相互作用的实验装置。为实现上述的目的，本技术的技术方案是包括非磁性金属气垫导轨，非磁性金属气垫导轨的通道上设有多个光电门，非磁性金属气垫导轨上设有非磁性金属滑块，非磁性金属滑块上设有磁体，非磁性金属滑块的上部设有挡光片，光电门的输出接到单片机处理电路。上述的磁体与非磁性导体相互作用的实验装置中，所述磁体为永磁体。上述的磁体与非磁性导体相互作用的实验装置中，所述的非磁性金属气垫导轨的截面为三角形，所述滑块为人字形，滑块的两侧均设有磁体。上述的磁体与非磁性导体相互作用的实验装置中，所述光电门的间距是任意的。上述的磁体与非磁性导体相互作用的实验装置中，所述的单片机处理电路由多选一模拟开关、CPU、显示模块、存储器、扩展I/O模块、键盘组成，多选一模拟开关输入端接光电门的输出，CPU分别与多选一模拟开关的输出端、显示模块、存储器、扩展I/O模块、键盘相连。一种磁体与非磁性导体相互作用的实验装置，包括非磁性金属气垫导轨，非磁性金属气垫导轨的通道上设有多个光电门，光电门的输出接到单片机处理电路，非磁性金属气垫导轨上设有非磁性金属滑块，非磁性金属滑块的上部设有挡光片，在滑块的路径上设有至少一块磁体。本技术的有益效果本技术在传统气垫导轨实验基础上加以改进，既能进行原来的传统气垫导轨实验，又能够很好地由实验分析永磁体与金属导轨的相互作用力的规律，既增加了大学物理实验的内容，又大大减少的实验设备投资的增加。同时，将该实验项目引入物理实验教学中，可起到开拓学生思维，加深学生对电磁感应现象的认识作用，有助于培养学生探索创新的能力。以下结合附图和具体实施例对本技术作进一步的说明。附图说明图1为本技术实施例1的结构图。图2为图1的A-A剖视图。图3为本技术的单片机处理电路框图。图4为本技术实施例2的结构图。图5为图4的A-A剖视图。图6本技术的永磁体在导轨内产生的感应电流示意图。图7为不同时刻t测得的速度按(5)式拟合的结果。图8为磁阻尼力与运动速度的关系。具体实施方式参见图1、2，本实验装置包括三角形的非磁性金属气垫导轨1、等间距设置于非磁性金属气垫导轨的通道上的8个光电门5，气垫导轨1上设有非磁性金属滑块2，滑块两侧设有两块永磁体3，滑块2的上部设有带凹口的挡光片4，光电门5上设有光发射器6和光接收器7，光接收器7的输出接到单片机处理电路。参见图3，单片机处理电路由两个四选1模拟开关、CPU、显示模块、存储器、扩展I/O模块、键盘组成。本单片机处理电路的核心是89C55单片机。键盘用来设定实验装置的工作状态和输入非磁性金属滑块质量、滑块上挡光片的宽度等参数。八个光电门分成两组，分别连接到一个四选一模拟开关(AD7501)上，它们的输出分别联到CPU的INT0和INT1，可以分别准确地记录滑块到达各个光电门的时刻及通过它们的时间，采用两路外部中断的好处是可以区分滑块滑动的方向，这样单片机便能够根据滑动方向依次选通相应的光电通道。记录完毕后，通过操作键盘，可以依次计算显示滑块在各个光电门处的时刻、速度、动量、动能，由这些数据，又可以计算描绘出滑块的加速度以及所受到的阻力随时间变化曲线。本实验装置的工作原理当带有永磁体的滑块在铝合金的气垫导轨上滑动时，金属导轨内感应电流产生的磁场会反作用于滑块上的磁体，使滑块减速。在气垫导轨旁安置数个光电门，光电门设有光发射和光接收器，当滑块上的挡光片经过光电门时，光接收器接收不到信号，这样可跟踪记录滑块到达各个光电门的时刻和速度，再跟据已知滑块的质量、永磁体的磁场强度及尺寸等，就能够很好地由实验分析永磁体与金属导轨的相互作用力的规律。本实验装置中磁体的表面与铝合金气垫导轨表面是平行的，在磁体下方的垂直投影面积L0×W0内导轨处的磁场强度为 在投影区外为零，即将磁通约束在磁体正下方的区域内。当磁体随滑块在气垫导轨上运动时，导轨在磁体下方投影平面内会产生垂直于运动方向的感应电势ε。若进一步将感应电势ε等效为电池的电动势，将磁体垂直于轨道的投影平面L0×W0面积区域的导轨的电阻等效为电池内阻r，该区域外的电阻等效为外部电阻R，则由全电路欧姆定律得到在导轨中由感应电势产生的总感应电流为I＝ε/(R+r) (1)对于宽度为L0、速度为V的运动磁体，ε的定量关系可记为 感应电流与磁场的的相互作用力 为 只考虑沿运动方向的分量，将变量分离后得dVV=L02B02m(R+r)dt---(3)]]>积分后得到LnV-LnV0=-L02B02m(R+r)(t-t0)---(4)]]>令L02B02(R+r)=k,]]>到达第一个光电门的时间t0＝0，此时的速度记为V0，则得到任意时刻的速度为V＝＝V0e-kt/m(5)由(5)式可知，在运动磁体与金属导轨相互作用感应的阻尼力的作用下，滑块按时间的负指数做减速运动。只要测出不同时刻的V和对应的时刻t，将实验数据按(4)或(5)式拟合，就可求得K值。求得K之后，由(3)式可求出任意时刻运动磁体受到的阻尼力Fρ=maρ=m·dVρ/dt=-m·L02B02m(R+r)·Vρ=-KVρ=-KVρ0e-Kt/m---(6)]]>由(5)和(6)式可知，载有磁体的运动滑块与金属导轨间的作用力与磁体的磁感应强度B0、磁体的宽度L0、金属的电导率、滑块的质量及磁体的运动速度都有关。由前面的式(5)可知，只要在多个点上测得滑块的即时速度和到达该点的时间，将数据按式(5)得到k值，就可获得任意时刻的加速度和阻尼力。通过改变磁体的数目，可调整等效内阻r的大小，以控制作用力的合适强度。图5是用实验仪测得的数据及按(5)式拟合的结果。相关系数达0.99985，与理论推导的公式一致。图6是由拟合的k和测得的V由 得到的磁阻尼力与速度的关系。由于气垫导轨中(r+R)值的定量计算相当繁琐，考虑到磁体到导轨表面的距离(即导轨表面的磁感应强度B0)、滑块质量M，磁体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁体与非磁性导体相互作用的实验装置，其特征在于：包括非磁性金属气垫导轨，非磁性金属气垫导轨的通道上设有多个光电门，非磁性金属气垫导轨上设有非磁性金属滑块，非磁性金属滑块上设有磁体，非磁性金属滑块的上部设有挡光片，光电门的输出接到单片机处理电路。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王祝盈，谢中，陈小林，翦知渐，黄建刚，谢晓，周艳明，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：实用新型
国别省市：43[中国|湖南]