电磁感应及应用研究_物理实验报告

电磁感应及应用研究

第一部分磁牵引力与悬浮力测量

实验目的：

1. 了解在磁场中运动的导体所受的牵引力和悬浮力的产生机理；

2. 研究磁悬浮力、磁牵引力的规律性；

3. 学会灵活运用电磁感应定律进行磁悬浮的各种应用设计；

4. 学会利用数据拟合以及经验公式的方法研究物理现象的规律性。

实验原理：楞次定律：闭合回路中的感应电流方向，总是企图使感应电流本身所产生的通过回路面积的磁通量，去反抗引起感应电流的磁通量的改变。或者说感应电流产生的磁场总是阻碍原来的磁场的变化。

法拉第电磁感应定律：不论任何原因使通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率成正比

在金属铝盘与永磁体做相对运动时, 通过铝盘单位面积内磁通量的大小发生改变，根据以上定律，产生了作用于永磁体（传感器）的“磁悬浮力”和“磁牵引力”。

电机转速（角速度）与频率的换算关系为ω=πf/1600 其中f 为脉冲频率

实验仪器：电磁感应与磁悬浮综合实验仪、力传感器，光电传感器，步进电机、

步进电机控制器、铝盘、磁悬浮测试底座和平移台、带有小辐轮和永磁体的轴承等。

实验内容：由于悬浮力与牵引力方向不同，根据支架上的标签所画箭头方向为传感器可以测量的力的方向，正确装配传感器和永磁体。

调节平移架，使磁铁位于铝盘上方0.300cm 处。在水平方向前后左右调节磁铁，找到牵引力最大位置。从最小频率开始，逐级加大脉冲频率，到最大频率为止，测量铝盘不同转速对应磁牵引力的大小，每一个转速下测量三组数据，取其平均值。

磁悬浮力测量与测量磁牵引力的步骤类似，但要根据磁悬浮力的方向重新装配力传感器和永磁体，同样测量三组数据,取其平均值

从初始距离铝盘0.300cm处，调节平移架,改变传感器与铝盘的距离，每隔1mm测量3组牵引力(磁悬浮力)值，直到牵引力(磁悬浮力)变化缓慢并接近于0，取其平均值。

安装带有小辐轮和永磁体的轴承。从最小频率开始，到最大频率为止，测量铝盘不同转速对轴承转速的影响，每个频率测量六组数据，并记录下来。拟合轴承转速与铝盘转速的依赖关系。

数据处理：

1. 磁牵引力的测量

磁牵引力和铝盘转速的关系

根据以上数据，使用Origin 进行拟合，拟合所得结果如下：

方差分析

牵引力 (N )

转速 (rad/s)

根据以上线性拟合结果可以得到磁牵引力与铝盘转速成正关系

y=0.00594x+0.00646

2.脉冲频率为 26006Hz 条件下，测得的牵引力与距离的关系如下：

磁牵引力随距离的变化关系

同样对上面所得到的数据进行拟合，得到磁牵引力随永磁体与铝盘距离的变化关系如下图所示，呈现一种磁牵引力随着距离的增加，指数衰减的趋势。

拟合得到的曲线公式如图，为 y=A1*exp （-x/t1）+ y0 公式的参数如下图所示

数据方差如下：

3.磁悬浮力的测量

磁悬浮力和铝盘转速的关系

牵引力 (N )

距离 (cm)

由上面所得的实验数据，进行线性拟合。得到下面的线性图形，可知 磁悬浮力与铝盘的转速同样成正关系，关系式为 y=0.00128x-0.02733

方差分析如下：

磁悬浮力 (N )

转速 (rad/s)

4.脉冲频率为 23004Hz 条件下，测得的磁悬浮力与距离的关系如下：

磁悬浮力随距离的变化关系

利用Origin 对表中数据进行拟合，得到下图的关系：磁悬浮力随着永磁体与铝盘距离的增

加，呈指数衰减。

磁悬浮力与距离的公式为 y=A1*exp （-x/t1）+ y0 式中的参数如下表所示

磁悬浮力 (N )

距离 (cm)

方差分析：

5. 设计并测量磁悬浮传动系统

轴承转速与铝盘转速的依赖关系

对表中所得的轴承转速与铝盘转速的关系的数据进行拟合，得到上图所示的关系，即 轴承转速与铝盘转速成正关系。关系式为 y=3.04275x-21.2678

第二部分 利用霍尔元件测量磁场

实验目的:

1．掌握利用线性霍尔元件测量磁场的原理与方法。 2．学会简单形状的永磁体的理论分析方法。

实验原理:

1. 霍尔效应

运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用会发生偏转，当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷在不同侧

轴承转速 (r a d /s )

铝盘转速 (rad/s)

的聚积，从而形成附加的横向电场。

线性集成霍尔传感器是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等集成在一个芯片上,如下图所示：

在一定的磁感应强度范围内，线性霍尔元件的输出电压与磁感应强度呈线性比例关系。所以可以通过实验测得的霍尔元件的输出电压值，得到该处磁感应强度的大小。

霍尔元件有型号标记的一面为敏感面，当该面正对磁场时，其感受的磁感应强度与其

输出电压的关系为

其中K 为灵敏度，U s 为输入电压，U 为输出电压。

线性霍尔元件型号为ss496B，在输入电压为5V 时，K=2.5mV/G。

实验仪器：

测试台、测试探头（ss496B线性霍尔元件）、稳压电源、万用表、钕铁硼磁铁、磁悬浮陀

螺底座。

实验内容：

1.测量圆柱形磁铁中心轴线上的磁场

将霍尔元件敏感面调至水平，并移到磁铁中心轴处。输入电压取5V，沿中心轴从上至

下测量，测到输出电压接近饱和值（0V 或U s）为止，利用所测数据作图并与仿真结果比较。

2.测量圆磁铁上方磁场(垂直分量) 的二维分布

将霍尔元件敏感面调至水平。在距圆磁铁表面1.500cm 处，测量整个平面1/4的区域的磁场分布。①从正对圆心开始，沿半径x轴，移动平移架，隔1mm测量一组数据，测15组。

②在垂直于x轴方向的y轴移动1mm，然后同上个步骤一样改变x值测量15组。③重复第2个步骤，直到y方向上也有15组数据，即测得15*15组数据。利用所测数据作磁场垂直分量的二

维分布图。

3.测量磁悬浮陀螺底座磁场(垂直分量)的二维分布