CN86102331A

CN86102331A - 磁悬浮导轨

Info

Publication number: CN86102331A
Application number: CN 86102331
Authority: CN
Inventors: 王树春; 韩中凡; 王亚洁; 姚风英; 王法堂
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 1986-04-01
Filing date: 1986-04-01
Publication date: 1987-10-14

Abstract

本发明属一种大、中学物理教学和实验仪器。主要构造包括导轨、滑块、计时装置，导轨内和滑块下部装有永久磁体，由于进行了合理的磁路设计，使导轨与滑块之间在磁力作用下，形成无摩擦的理想力学平面。本发明能代替现有的气垫导轨，供理工科大学和中学师生做各种力学实验。与气垫导轨相比，有节能源、省设备、耐使用、无噪声等优点。

Description

本发明属一种物理学教学仪器。

现有的气垫导轨是本世纪六十年代美国人发明的，现仍广泛地用于世界各国大、中学物理实验上，对物理学各种力学定律的演示、对加深理解物理学知识都颇有帮助。气垫导轨是用外接气源，提供1.5左右个大气压，使滑块用空气垫起来自由地在导轨上滑动，形成了没有摩擦的理想力学平面。这种气垫导轨除导轨、滑块外，还有细绳、重锤、定滑轮，作为滑块运动的动力;还有计时装置用于实验中计时。气垫导轨的缺点在于，必须附加有小型气源或空压机、储气罐、导气管等设备，不仅价格昂贵、浪费空间，而且消耗大量能源。尤其严重的是噪声很大，既使采用小型气源，三台仪器同时开放，噪音可达180分贝，实验人员只能在刺耳的噪声中工作。

本发明的目的就在于，既提供实验需要的无摩擦的理想力学平面，又克服气垫导轨的设备庞杂，耗能大、噪声高等缺点，提供一个新的物理力学实验的理想仪器。

发明者曾查阅过国内外教学仪器公司，如美国的Ealing教学仪器公司，德国的Phywe、L-H教学仪器公司，日本的“岛津”教学仪器公司，均未见与本发明相类似的力学导轨。本发明曾间接地参考了德国、美国、日本制造的超导磁悬浮列车的原理及稳定磁悬浮的Earnshaw定理，查阅了下列有关文献：

日本“电子通信学会志”，Vol.55，No.2 1972;

《英语4》上海交通大学科技外语系吴银庚等编，人民教育出版社（1982）P122;

《Trans Cambridge，Phylosophical Soc》Earnshaw Vol.7，No.42

《电磁现象与应用》土夫编，江西人民出版社（1982）。

本发明的磁路原理如图1所示。图1也显示了本发明的必要技术特征。图1所示为本发明的横截面，N、S为永久磁体的磁极，带箭头的曲线为磁力线。导轨1跟气垫导轨的导轨相类似，用铁磁性材料制成，一方面构成导轨框架，另一方面用以构通磁路。导轨1内装永久磁铁

和导轨磁轭2。滑块3由永久磁铁

和滑块磁轭4构成。永久磁铁和滑块磁轭4可用一个滑块框架固定为一体。图1中，21为空隙。滑块3的下表面和导轨磁轭2的上表面中央部分有排斥力，起到使滑块3悬浮的作用，在导轨与滑块之间形成无摩擦的力学平面。滑块3的下表面两端和导轨磁轭2的两侧为吸引力，起定向的作用，使滑块3的受力方向主要为上下方向，左右方向的侧压力很小。导轨1、导轨磁轭2、滑块磁轭4一方面用来构通磁路，另一方面起平均磁场的作用，即，沿导轨长度方向上磁场处处均匀，滑块3在导轨1上运动时不上下起伏或晃动。导轨磁轭2的上表面磁场分布如图2所示。图2中，横坐标L是导轨1的纵向长度，纵坐标H是磁场强度。

本发明除图1表示出的必要技术特征外，还有重锤、细绳、定滑轮及计时装置。定滑轮装在滑轮架上，固定于导轨1的一端;细绳一端系在滑块3上，另一端绕过定滑轮系在重锤上，实验时，在重锤作用下使滑块3产生运动。计时装置可以与气垫导轨相同。包括装在滑块框架上的遮光板和装在导轨1上相距一段距离的两个遮光门，实验时，配合数字毫秒计、光电管用于计时。

本发明的磁悬浮导轨在结构上的进一步说明由图3给出。图中，1为导轨，横截面呈

型，用铁磁性材料制作，比如用厚4mm的钢板制作。2为导轨磁轭，可以用厚0.5mm的矽钢片制作。滑块3的主要结构见图4。4为滑块磁轭，材料可与导轨磁轭2相同。

是永久磁铁，可以是锶铁氧体。5为定向滑轮，在后叙的滑块结构中再详细论述。6为细绳。7为档板。8为压簧。9为后档板。档板7、压簧8、后档板9，在使用中对滑块3起阻档运动和缓冲作用。10为定滑轮，安装在滑轮架11上。12为后支板。13为调节螺钉。14为垫脚块。15为前支板。16为调平螺钉。前支板15与调平螺钉16相配合，可以调平导轨1。前支板15、后支板12可用螺钉固定在导轨1的底面上。17为重锤。细绳6与重锤17在实验使用中是拉动滑块3的动力。18为遮光门，19为遮光板。遮光门18的侧面装有小灯泡的灯座和光电管，以便与遮光板19、数字毫秒计联合使用在实验中计时;在导轨上靠近定滑轮一端还有一个遮光门，图中未画出来。20为滑块框架。21为空隙。

图4给出滑块3的结构。为永久磁铁。4为滑块磁轭。5为定向滑轮。根据英国人Earnshaw在一百三十多年前提出的“Earnshaw定理”，三维空间呈稳定平衡的静磁体系是不存在在的，因此，用定向滑轮5使滑块3在横向（左右方向）稳定下来，以实现稳定的磁悬浮。定向滑轮5左右各有两个，安装在滑块框架20上。为了减少摩擦阻力，定向滑轮5（包括滑轮轴）可用钟表上的滑轮代用。左右两个定向滑轮5之间的最大宽度要稍小于导轨1两侧内表面的距离。遮光板19、滑块框架20，可以用铝板制作。22为重心调节螺钉，旋动重心调节螺钉可使永久磁体

左右移动，改变滑块3的磁极位置及重心位置，使之在实验使用中不歪斜。在具体实施中，导轨1的高度不应小于60mm。

本发明的一个具体实施例已为图3、图4所呈现。导轨1内所装的永久磁体摆放位置与图1相同，永久磁体

为锶铁氧体（48×22×10mm³）共96块。滑块3的永久磁体

亦是锶铁氧体，共计4块。滑块3自重353.5g，自重悬浮距离15mm，实验使用时，滑块3最大负重200g，悬浮距离12mm。

附图说明：

图1，磁悬浮导轨的磁路原理图;

图2，导轨磁轭上表面的磁场分布;

图3，磁悬浮导轨结构图;

图4，滑块结构图。

本发明的磁悬浮导轨主要用于大、中学物理实验，既可演示，又可定量测量。可用于验证牛顿第一定律、第二定律、动量守恒定律，验证匀变速运动公式及斜面上运动物体重力势能和平动能之间的转换规律等等。本发明的优点在于：①经久耐用，永久磁体存放20年磁力仅减弱1%，节省维修工时和费用;②实验使用时不用电，节约能源;③不必提供附加设备，不仅节省附加设备的费用，而且减少了实验室占地面积;④无噪声，这是气垫导轨所无法比拟的;⑤用量大，适于厂家生产。