CN108091226A - 学生用电磁实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种学生用电磁实验装置，它包括底座，底座的上部连接有电脉冲发生器、超声波发生器和数个主弹簧，主弹簧的下端与底座连接，主弹簧的上端连接有透明箱体，透明箱体为球形壳体结构，透明箱体的上部安装有立体振动座。本发明通过波形发生器、电磁铁磁场指示装置和铁粉相结合，使磁力实验装置能够直观地向学生展示在不同波形电流的作用下电磁铁周围磁场的变化情况。本发明将磁针式立体磁场指示装置和铁粉相结合，能够方便学生更加直观的观测到电磁铁周围的磁场分布情况，适用于教学实验。

Description

学生用电磁实验装置

技术领域

本发明属于涉电实验器材，涉及电磁实验,更确切的说是一种学生用电磁实验装置。

背景技术

现有的磁感线实验课桌在实验室需要将铁粉撒到课桌上，由于铁粉较细小，实验后不容易清理，对学生实验造成不便。现有的磁感线实验课桌磁体大多是固定的或者水平移动，使铁粉不能很全面的反应磁体在立体空间内产生的磁感线情况。

发明内容

本发明的目的，是要提供一种学生用电磁实验装置，以期能够解决现有技术所存在的上述问题。

本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

一种学生用电磁实验装置，包括底座，底座的上部连接有电脉冲发生器、超声波发生器和数个主弹簧，主弹簧的下端与底座连接，主弹簧的上端连接有透明箱体，透明箱体为球形壳体结构，透明箱体的上部安装有立体振动座，所述立体振动座包括振动电机固定座，振动电机固定座的一侧与透明箱体连接，振动电机固定座上连接有两套振动装置，所述振动装置包括旋转电机，旋转电机的固定端与振动电机固定座连接，旋转电机的输出轴连接有丝杆，丝杆所在的中心轴与旋转电机的输出轴垂直，丝杆上螺纹连接调节螺母，其中一套振动装置旋转电机的输出轴处于水平状态，另一套振动装置旋转电机的输出轴处于垂直状态，透明箱体的内部水平连接有数个透明板，透明板上设置有磁针式立体磁场指示装置和铁粉，所述磁针式立体磁场包括竖直透明支撑板和数个指示磁针，竖直透明支撑板所在平面与透明板所在平面处于垂直状态，数个指示磁针分为两组，一组安装在透明板上，另一组安装在竖直透明支撑板上，透明板的中部连接有电磁铁，波形发生器的输出端与电磁铁连接，超声波发生器的换能器与透明箱体的外侧贴合。

作为限定，所述指示磁针包括磁针支架，磁针支架上铰接磁针，磁针的中部与磁针支架配合，位于竖直透明支撑板上的指示磁针的磁针支架与竖直透明支撑板连接，位于透明板上的指示磁针的磁针支架与透明板连接。

作为另一种限定，所述指示磁针呈矩阵排列。

作为进一步限定，所述吊绳由高强度玻璃纤维构成，高强度玻璃纤维的组分以重量计包括：55.0～59.0份 SiO₂、19.0～23.0份Al₂O₃、2～3.8份MgO、14.0～16.0份CaO、2.8～3.0份SrF₂、0.2～0.3份TiF₄、 0.1～0.15份ZnMoO₄、0.01～ 0.5份Na₂S₂，将玻璃纤维原料装在铂金化料坩埚内，在 1400～1500℃下，边搅拌边熔融，熔制8小时，把熔制好的玻璃放入拉丝炉内，在 1430～1450℃下再熔融，熔融玻璃通过铂金漏板的漏嘴拉制成直径为5～13μm 连续纤维，从漏嘴输出的玻璃纤维直接浸入0℃的冰水混合物中，获得成品高强度玻璃纤维。

本发明还有一种限定，所述底座为合金耐磨钢材制成的，合金耐磨钢材每百重量份中的组分含量是:

碳0～0.05份；

氮0～0.05份；

锰7.2～8份；

硅0～1份；

铬20～21份;

镍4～5份；

钒6.2～8.5份；

碳化钇2.3～3.5份；

碳化镱1.2～2.4份；

余量为铁。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

本发明通过波形发生器、电磁铁磁场指示装置和铁粉相结合，使磁力实验装置能够直观地向学生展示在不同波形电流的作用下电磁铁周围磁场的变化情况；本发明将磁针式立体磁场指示装置和铁粉相结合，能够方便学生更加直观的观测到电磁铁周围的磁场分布情况；

磁针式立体磁场指示装置利用相互垂直的竖直透明支撑板和透明板，使数个指示磁针能够分布于水平面和垂直面上，从而利用磁针在磁场作用下旋转的原理，使数个呈矩阵排列的磁针能够显示出立体空间内部磁感线的分布情况，铁粉由大量的铁质颗粒组成，铁粉在磁场的作用下会根据磁感线的排布情况进行排列，从而在宏观上显示出电磁铁周围的磁场分布情况，由于数个透明板上均设置铁粉，从而可以使铁粉能够根据不同高度的磁场情况进行排布，从而进一步显示出立体空间内的磁场排布情况。本发明通过透明箱体、透明管和透明板相结合，使实验人员可以清楚的实时观测到铁粉分布情况和电磁铁的运动关系，透明管的中部侧周安装透明板可以使铁粉位于透明管的中部，使电磁铁能够经过承载铁粉的透明板，铁粉可以根据电磁铁分布在透明板上的磁场情况，变化排布。电磁铁每运行一小段距离，铁粉的排布都会跟随电磁铁进行变化，从而向实验人员反映出电磁铁周围的磁场分布情况，从而反映出电磁铁立体空间内产生的磁感线情况；

本发明的超声波发生器能够在电磁铁进入透明管后为数个透明板提供超声波振动，从而使位于透明板上的铁粉能够利用超声波快速分散，从而更加容易跟随磁场的变化而运动，从而使铁粉能够实时显示出所处的磁场分布情况，更加有利于学生观测磁场的实时分布情况。本发明的立体振动座能够在实验开始前利用振动装置的震动时使透明板上的铁粉均匀的散开，从而使铁粉在实验开始后能够更加准确的按照磁场的分布排布；

本发明的其中一套振动装置旋转电机的输出轴处于水平状态，另一套振动装置旋转电机的输出轴处于垂直状态，能够使两套振动装置分别产生竖直方向的振动和水平方向的震动，从而能使铁粉更加快速的分散。

本发明还具有结构简洁紧凑、制造成本低廉和使用简便的优点，适用于电磁实验教学。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为图1的Ⅰ部放大图；

图3为图1的Ⅱ部放大图；

图4为图1的A向放大结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例 一种学生用电磁实验装置

如图1-图4所示，本实施例包括底座10，底座10的上部连接电脉冲发生器11、超声波发生器5和数个主弹簧9，主弹簧9的下端与底座10连接，主弹簧9的上端连接透明箱体2，透明箱体2为球形壳体结构，透明箱体2的上部安装立体振动座，所述立体振动座包括振动电机固定座11，振动电机固定座11的一侧与透明箱体2连接，振动电机固定座11上连接两套振动装置，所述振动装置包括旋转电机6，旋转电机6的固定端与振动电机固定座11连接，旋转电机6的输出轴连接丝杆7，丝杆7所在的中心轴与旋转电机6的输出轴垂直，丝杆7上螺纹连接调节螺母8，其中一套振动装置旋转电机6的输出轴处于水平状态，另一套振动装置旋转电机6的输出轴处于垂直状态，透明箱体2的内部水平连接数个透明板28，透明板28上设置磁针式立体磁场指示装置和铁粉27，所述磁针式立体磁场包括竖直透明支撑板1和数个指示磁针，竖直透明支撑板1所在平面与透明板28所在平面处于垂直状态，数个指示磁针分为两组，一组安装在透明板28上，另一组安装在竖直透明支撑板1上，透明板28的中部连接电磁铁4，波形发生器11的输出端与电磁铁4连接，超声波发生器5的换能器与透明箱体2的外侧贴合。

本发明通过波形发生器11、电磁铁4磁场指示装置和铁粉27相结合，使磁力实验装置能够直观地向学生展示在不同波形电流的作用下电磁铁4周围磁场的变化情况。本发明将磁针式立体磁场指示装置和铁粉27相结合，能够方便学生更加直观的观测到电磁铁周围的磁场分布情况。磁针式立体磁场指示装置利用相互垂直的竖直透明支撑板1和透明板28，使数个指示磁针能够分布于水平面和垂直面上，从而利用磁针12在磁场作用下旋转的原理，使数个呈矩阵排列的磁针12能够显示出立体空间内部磁感线的分布情况，铁粉27由大量的铁质颗粒组成，铁粉27在磁场的作用下会根据磁感线的排布情况进行排列，从而在宏观上显示出电磁铁4周围的磁场分布情况，由于数个透明板28上均设置铁粉27，从而可以使铁粉27能够根据不同高度的磁场情况进行排布，从而进一步显示出立体空间内的磁场排布情况。本发明通过透明箱体25、透明管26和透明板28相结合，使实验人员可以清楚的实时观测到铁粉27分布情况和电磁铁4的运动关系，透明管26的中部侧周安装透明板28可以使铁粉27位于透明管26的中部，使电磁铁4能够经过承载铁粉27的透明板28，铁粉27可以根据电磁铁4分布在透明板28上的磁场情况，变化排布。电磁铁4每运行一小段距离，铁粉27的排布都会跟随电磁铁4进行变化，从而向实验人员反映出电磁铁4周围的磁场分布情况，从而反映出电磁铁4立体空间内产生的磁感线情况。本发明的超声波发生器4能够在电磁铁4进入透明管26后为数个透明板28提供超声波振动，从而使位于透明板28上的铁粉能够利用超声波快速分散，从而更加容易跟随磁场的变化而运动，从而使铁粉能够实时显示出所处的磁场分布情况，更加有利于学生观测磁场的实时分布情况。本发明的立体振动座能够在实验开始前利用振动装置的震动时使透明板28上的铁粉27均匀的散开，从而使铁粉27在实验开始后能够更加准确的按照磁场的分布排布。本发明的其中一套振动装置旋转电机6的输出轴处于水平状态，另一套振动装置旋转电机6的输出轴处于垂直状态，能够使两套振动装置分别产生竖直方向的振动和水平方向的震动，从而能使铁粉27更加快速的分散。

所述指示磁针包括磁针支架13，磁针支架13上铰接磁针12，磁针12的中部与磁针支架13配合，位于竖直透明支撑板1上的指示磁针的磁针支架13与竖直透明支撑板1连接，位于透明板28上的指示磁针的磁针支架13与透明板28连接。

所述指示磁针呈矩阵排列。

所述吊绳14由高强度玻璃纤维构成，高强度玻璃纤维的组分以重量计包括：55.0～59.0份 SiO₂、19.0～23.0份Al₂O₃、2～3.8份MgO、14.0～16.0份CaO、2.8～3.0份SrF₂、0.2～0.3份TiF₄、 0.1～0.15份ZnMoO₄、0.01～ 0.5份Na₂S₂，将玻璃纤维原料装在铂金化料坩埚内，在 1400～1500℃下，边搅拌边熔融，熔制8小时，把熔制好的玻璃放入拉丝炉内，在1430～1450℃下再熔融，熔融玻璃通过铂金漏板的漏嘴拉制成直径为5～13μm 连续纤维，从漏嘴输出的玻璃纤维直接浸入0℃的冰水混合物中，获得成品。

所述底座10为合金耐磨钢材制成的，合金耐磨钢材每百重量份中的组分含量是:

碳0～0.05份；氮0～0.05份；锰7.2～8份；硅0～1份；铬20～21份;镍4～5份；

钒6.2～8.5份；碳化钇2.3～3.5份；碳化镱1.2～2.4份；余量为铁。

本实施例中，高强度玻璃纤维的组分使用了下表中的几种组别配方：

本实施例在传统的玻璃纤维组分构成的基础上增加了独特的SrF₂成分，我们经过反复试验，在SrF₂成分过多和过少时均无法明显的提高玻璃纤维本身的抗拉伸强度，在玻璃纤维组分SiO₂、Al₂O₃、MgO、CaO相同的情况下，我们将SrF₂成分由较低的1％开始逐步递增至2.8％之前，玻璃纤维的抗拉伸强度波动在正常范围之内，并无明显提高，而当SrF₂成分增至2.8％时，玻璃纤维的抗拉伸强度出现了明显的跃升，我们将掺SrF₂成分的纤维与未掺SrF₂成分的纤维截面进行了显微放大发现，添加了SrF₂成分的玻璃纤维且SrF₂的含量为2.8～3.0wt％时相较于未添加SrF₂成分的玻璃纤维以及SrF₂含量不同的玻璃纤维，结构更加紧密，出现的缝隙明显减少，普通未添加SrF₂成分的玻璃纤维的抗拉伸强度一般在37～43KMpa之间，我们采用的组分，强度在43KMpa附近拨动，而添加SrF₂成分的玻璃纤维且SrF₂的含量为2.8～3.0 wt％时，玻璃纤维的抗拉伸强度出现了跃升，达到了53～58.3KMpa，当SrF₂的含量为2.9wt％时达到峰值为58.3KMpa。使用本实施例玻璃纤维组分制成的玻璃纤维，强度提高30%以上，在分子学实验过程中，明显降低了玻璃纤维折断的几率，提高了实验成功率，降低了实验成本，减少了实验周期。

所述玻璃纤维其以构成成分中还含有0.2～0.3wt％的TiF₄。

我们经过进一步实验发现，在加入0.2～0.3wt％的TiF₄后，加入添加了SrF₂成分的玻璃纤维且SrF₂的含量为2.8～3.0wt％时，使玻璃纤维的抗拉伸强度更容易达到高数值，更容易进入56.8～58.3KMpa范围内。进一步深层分析，一方面Ti成分对玻璃纤维的强度有所改善，另一方面TiF₄的加入增加了玻璃纤维中F元素的含量，从而能够补充玻璃纤维原料熔融时蒸发损耗的F元素。使玻璃纤维更容易达到高强度。

所述玻璃纤维其以构成成分中还含有0.1～0.15wt％的ZnMoO₄。

我们经过进一步发现，在加入添加了SrF₂成分的玻璃纤维且SrF₂的含量为2.8～3.0 wt％时，同时增加0.1～0.2wt％的ZnMoO₄制成的玻璃纤维成品相较于普通的玻璃纤维在700～800℃时，抗拉伸性能得到了一定的提高，相较于普通玻璃纤维，700～800℃时抗拉伸强度提高了1.1～1.7%左右，使玻璃纤维具有较好的耐高温性能。

玻璃纤维其以构成成分中还含有0.01～0.5wt％的Na₂S₂。

我们经过进一步研究发现，在加入添加了SrF₂成分的玻璃纤维且SrF₂的含量为2.8～3.0 wt％时，同时增加0.01～0.5wt％的Na₂S₂制成的玻璃成品相较于未添加Na₂S₂玻璃成品峰值提高到58.93KMpa，Na₂S₂与SrF₂结合后使制成玻璃纤维强度峰值得到提高，这一点对于玻璃纤维强度进一步改进的研究非常重要，目前尚无Na₂S₂对于纤维强度改善的现有文献记录。

将玻璃纤维原料装在铂金化料坩埚内，在1400～1500℃下，边搅拌边熔融，熔制8小时，把熔制好的玻璃放入拉丝炉内，在1430～1450℃下再熔融，熔融玻璃通过铂金漏板的漏嘴拉制成直径为5～13μm 连续纤维，从漏嘴输出的玻璃纤维直接浸入0℃的冰水混合物中，获得成品。

我们提供了部分随着氟化锶含量的提高掺杂氟化锶（SrF₂）玻璃纤维抗拉伸强度（KMPa)的变化表，当SrF₂含量在0～2.8%过程中纤维抗拉伸强度在43KMpa附近拨动，而当SrF₂含量增加至2.8以上时纤维抗拉伸强度突然跃升，在2.8～3%之间达到了峰值58.3，进一步增加则回至43KMpa附近拨动。

随着氟化锶含量的提高掺杂氟化锶（SrF₂）玻璃纤维抗拉伸强度（KMPa)变化表

本实施例中合金耐磨钢每百重量份中的组分含量采用了下表中的配方:

本实施例在合金耐磨钢材中增加了碳化钇和碳化镱；碳化钇和碳化镱在钢材组分中使用并无先例，我们发现碳化钇和碳化镱在同时加入到合金耐磨钢材中时，能够大幅度增加合金耐磨钢材成品的强度和耐磨性。我们经过大量实验发现，在碳0～0.05%；氮0～0.05%；锰7.2～8%；硅0～1%；铬20～21%;镍4～5%；钒6.2～8.5%含量相同的情况下，单独加入碳化钇时，钢材的强度提升幅度仅在2～2.2%附近波动，即不能够使钢材的强度有太明显提升；在碳0～0.05%；氮0～0.05%；锰7.2～8%；硅0～1%；铬20～21%;镍4～5%；钒6.2%～8.5%含量相同的情况下，单独加入碳化镱时钢材的强度提升幅度仅在1.3～1.5%附近波动，即同样不能够使钢材的强度有太明显提升。在碳0～0.05%；氮0～0.05%；锰7.2～8%；硅0～1%；铬20～21%;镍4～5%；钒6.2%～8.5%含量相同的情况下，而当同时加入碳化钇和碳化镱，且碳化钇2.3～3.5%；碳化镱1.2～2.4%；时所制成的合金耐磨钢材的强度提高15～19.8%，强度提升幅度明显，可以有效提高固定架2的综合强度。所述合金耐磨钢材的各组分经过高温1750℃熔融后，恒温15小时；然后浇筑到模具中成型，然后在恒温炉中以每小时下降5℃降温至室温制成成品。

在碳0～0.05%；氮0～0.05%；锰7.2～8%；硅0～1%；铬20～21%;镍4～5%；钒6.2～8.5%含量相同的情况下，只加入碳化钇对合金耐磨钢材强度影响百分数见下表：

在碳0～0.05%；氮0～0.05%；锰7.2～8%；硅0～1%；铬20～21%;镍4～5%；钒6.2～8.5%；含量相同的情况下，只加入碳化镱对合金耐磨钢材强度影响百分数见下表：

在碳0～0.05%；氮0～0.05%；锰7.2～8%；硅0～1%；铬20%～21%;镍4～5%；钒6.2～8.5%；含量相同的情况下，同时加入碳化钇和碳化镱，且碳化钇2.3～3.5%；碳化镱1.2～2.4%对合金耐磨钢材强度影响百分数，见下表:

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种学生用电磁实验装置，其特征在于：它包括底座（10），底座（10）的上部连接有电脉冲发生器（11）、超声波发生器（5）和数个主弹簧（9），主弹簧（9）的下端与底座（10）连接，主弹簧（9）的上端连接有透明箱体（2），透明箱体（2）为球形壳体结构，透明箱体（2）的上部安装有立体振动座，所述立体振动座包括振动电机固定座（11），振动电机固定座（11）的一侧与透明箱体（2）连接，振动电机固定座（11）上连接有两套振动装置，所述振动装置包括旋转电机（6），旋转电机（6）的固定端与振动电机固定座（11）连接，旋转电机（6）的输出轴连接有丝杆（7），丝杆（7）所在的中心轴与旋转电机（6）的输出轴垂直，丝杆（7）上螺纹连接有调节螺母（8），其中一套振动装置旋转电机（6）的输出轴处于水平状态，另一套振动装置旋转电机（6）的输出轴处于垂直状态，透明箱体（2）的内部水平连接有数个透明板（28），透明板（28）上设置有磁针式立体磁场指示装置和铁粉（27），所述磁针式立体磁场包括竖直透明支撑板（1）和数个指示磁针，竖直透明支撑板（1）所在平面与透明板（28）所在平面处于垂直状态，数个指示磁针分为两组，一组安装在透明板（28）上，另一组安装在竖直透明支撑板（1）上，透明板（28）的中部连接有电磁铁（4），波形发生器（11）的输出端与电磁铁（4）连接，超声波发生器（5）的换能器与透明箱体（2）的外侧贴合。

2.根据权利要求1所述的学生用电磁实验装置，其特征在于：所述指示磁针包括磁针支架（13），磁针支架（13）上连接有吊绳（14），吊绳（14）的一端连接有磁针（12），磁针（12）的中部与磁针支架（13）配合，位于竖直透明支撑板（1）上的指示磁针的磁针支架（13）与竖直透明支撑板（1）连接，位于透明板（28）上的指示磁针的磁针支架（13）与透明板（28）连接。

3.根据权利要求1所述的学生用电磁实验装置，其特征在于：所述指示磁针呈矩阵排列。

4.根据权利要求2所述的学生用电磁实验装置，其特征在于：所述吊绳（14）由高强度玻璃纤维构成，高强度玻璃纤维的组分以重量计包括：55.0～59.0份 SiO₂、19.0～23.0份Al₂O₃、2～3.8份MgO、14.0～16.0份CaO、2.8～3.0份SrF₂、0.2～0.3份TiF₄、 0.1～0.15份ZnMoO₄、0.01～ 0.5份Na₂S₂，将玻璃纤维原料装在铂金化料坩埚内，在 1400～1500℃下，边搅拌边熔融，熔制8小时，把熔制好的玻璃放入拉丝炉内，在 1430～1450℃下再熔融，熔融玻璃通过铂金漏板的漏嘴拉制成直径为5～13μm 连续纤维，从漏嘴输出的玻璃纤维直接浸入0℃的冰水混合物中，获得成品高强度玻璃纤维。

5.根据权利要求1所述的学生用电磁实验装置，其特征在于：所述底座（10）为合金耐磨钢材制成的，合金耐磨钢材每百重量份中的组分含量是:

碳0～0.05份；

氮：0～0.05份；

锰7.2～8份；

硅0～1份；

铬20～21份;

镍4～5份；

钒6.2～8.5份；

碳化钇2.3～3.5份；

碳化镱1.2～2.4份；

余量为铁。