CN117711247A - 一种新型磁悬浮实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于磁悬浮基本原理的新型磁悬浮实验装置。该装置直流磁悬浮模式由磁场产生模块、悬浮模块、读数模块、数据采集与处理模块组成，交流磁悬浮模式由信号产生模块、磁场产生模块、悬浮模块、测量模块、数据采集与处理模块组成。本发明直流磁悬浮模式悬浮模块添加不同质量重物时，改变电流可以使磁铁保持恒定悬浮高度，实现悬浮物重量的定量测量。更换悬浮物，得到多组实验数据建立电流与质量的对应关系，得到直流磁悬浮定标直线；交流磁悬浮模式使用自制线圈和软铁芯作为磁场产生装置，实现磁场增强和聚磁。悬浮模块使用不同长度的套管即可实现不同量程，实现多组实验数据建立电流与质量的对应关系，得到交流磁悬浮定标曲线。

Description

一种新型磁悬浮实验装置

技术领域

本发明涉及磁悬浮领域，利用同一套装置实现了直流和交流磁悬浮，基于定标直线(曲线)这一桥梁实现了具有较高精度的磁力秤和磁力电流计。

背景技术

1842年，英国物理学家恩肖提出了磁悬浮的概念，磁悬浮是利用磁力来克服重力使物体悬浮的一种技术。由于磁悬浮可以使物体处于无摩擦、无接触悬浮状态，因此在很多领域具有广泛的应用，例如磁浮列车，磁浮控制平台，磁浮轴承等。

发明内容

本发明提出一种基于磁悬浮基本原理的新型磁悬浮实验装置，利用同一套装置实现了直流和交流磁悬浮，基于定标直线(曲线)这一桥梁实现具有较高精度的磁力秤和磁力电流计。

本发明所述的新型磁悬浮实验装置，是一种具有直流磁悬浮和交流磁悬浮两种工作模式的新型磁悬浮实验方案，利用一套装置将磁场、电流与力结合起来，可以开展磁力秤、磁力电流计等实验内容，定量地探究磁场、电流与力之间的关系。该装置直流磁悬浮模式由磁场产生模块、悬浮模块、读数模块、数据采集与处理模块组成，交流磁悬浮模式由信号产生模块、磁场产生模块、悬浮模块、测量模块、数据采集与处理模块组成。本发明设计了新型磁悬浮实验装置，采用自制线圈产生磁场，直流磁悬浮模式悬浮模块在添加不同质量的砝码或重物时，通过改变电流可以使小磁铁保持恒定悬浮高度，实现悬浮物重量的定量测量。更换悬浮模块的悬浮物，可实现多组实验数据建立了电流与质量的对应关系，得到直流磁悬浮定标直线；交流磁悬浮模式使用自制线圈和软铁芯作为磁场产生装置，实现了磁场增强和聚磁。悬浮模块使用不同长度的套管即可实现不同量程，实现多组实验数据建立了电流与质量的对应关系，得到交流磁悬浮定标曲线。

本发明具有如下优点：

1)本发明通过磁悬浮将磁场与力、电流等相关知识有机结合起来。利用同一套装置实现了直流和交流磁悬浮。

2)本发明中的实验装置直流磁悬浮模式创新地采用内磁悬浮方式，系统更加稳定，并具有更大量程。

3)本发明中的实验装置基于定标直线(曲线)这一桥梁实现了具有较高精度的磁力秤和磁力电流计。

4)本发明创新性地融合了吸引悬浮和排斥悬浮，方案逻辑清晰，操作简便。

5)本发明主体部分采用3D打印的非金属非磁性材料，进一步减少了外界干扰。

6)本发明结构简单，制作成本低，测量准确，实验内容丰富，可操作性强，可重复性高，在大学物理电磁学实验教学中具有较好的推广价值。

附图说明

图1为本发明直流磁悬浮实装置示意图。

图2为本发明交流模式磁悬浮正立测量实验装置示意图。

图3为本发明直流磁悬浮模式采用的内磁悬浮示意图。

图4为本发明直流磁悬浮模式采用的内磁悬浮磁场分布模拟图。

图5为本发明采用的直流模式磁悬浮内置3块磁铁的定标直线。

图6为本发明交流模式磁悬浮悬浮高度为16.5mm时的定标曲线。

具体实施方式

下面通过实例结合附图对本发明进行说明。

实施例1：

使用该实验装置进行直流磁悬浮模式的定标直线建立及磁力称与磁力电流计的制作，包括以下步骤：

1)在产生磁场的线圈内放置小磁铁，改变磁铁数量可以实现量程的变换；

2)打开电源，设置为恒流模式，添加砝码，调节励磁电流使得指针稳定在标定刻度处，记录此时的电流和砝码质量，重复测量来减小误差；

3)改变砝码质量，重复以上操作，获得定标数据，建立了电流与质量的对应关系，根据最小二乘法拟合得到定标直线；

4)基于定标实验拟合得到的函数关系，同时保持悬浮高度不变，若已知电流即可计算重物质量，制成磁力秤，若已知重物质量可以反推电流，制成磁力电流计；

实施例2：

使用该实验装置进行交流磁悬浮模式的定标曲线建立及磁力称与磁力电流计的制作，包括以下步骤：

1)使用3D打印制成的塑料套管保证悬浮高度不变。采用不同长度的套管即可实现不同的量程；

2)打开电源使铝环处于磁场中并收到磁力的作用，通过套管将磁力传导至下方的天平；

3)连续地改变励磁电流大小，记录天平上显示的示数，该示数减去套管与铝环质量之和(12.471g)即为悬浮磁力，即获得定标数据。拟合得到定标曲线，建立了电流与质量的对应关系；

4)基于此函数关系，在保持悬浮高度不变的条件下，若已知电流即可计算重物质量，即制成磁力秤；若已知重物质量可以反推电流，即制成磁力电流计。

Claims (3)

1.基于磁悬浮基本原理的新型磁悬浮实验装置，该装置可以同时实现直流和交流两种磁悬浮模式。该装置直流磁悬浮模式由磁场产生模块、悬浮模块、读数模块、数据采集与处理模块组成，交流磁悬浮模式由信号产生模块、磁场产生模块、悬浮模块、测量模块、数据采集与处理模块组成。其特征在于：利用同一套装置实现了直流和交流磁悬浮，基于定标直线(曲线)这一桥梁实现了具有较高精度的磁力秤和磁力电流计。

2.根据权利要求1所述的基于磁悬浮基本原理的新型磁悬浮实验装置直流磁悬浮模式，其特征在于，采用内磁悬浮的方式，即悬浮体(小磁铁)悬浮于线圈内部，借助非均匀磁场产生的梯度力实现悬浮。所述悬浮模块在添加不同质量的砝码或重物时，通过改变电流可以使小磁铁保持恒定悬浮高度，测得多组电流-质量数据后拟合定标直线，从而实现悬浮物质量或励磁电流的定量测量。通过改变悬浮高度，即可实现不同量程间的切换。

3.根据权利要求1所述的基于磁悬浮基本原理的新型磁悬浮实验装置交流磁悬浮模式，其特征在于，采用外磁悬浮模式，并使用软铁芯增强和聚集磁场。添加重物后调节电流保持悬浮高度不变，测得多组电流-质量数据后拟合定标曲线，从而实现悬浮物质量或励磁电流的定量测量。通过改变悬浮高度，即可实现不同量程间的切换。