永磁体与运动非磁性导体相互作用实验装置的研究与设计

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永磁体与运动非磁性导体的相互作用是一种广泛应用的电磁感应现象,通过理论分析,提出了永磁体受力的力矩模型,可以实现运动非磁性导体驱动永磁体绕中心对称轴旋转,这一现象能够很好的反映永磁体与运动非磁性导体的相互作用的本质。本论文综合运用电子、电磁、机械、计算机科学、力学和自动控制等技术,研制出一套新型的实验装置,可以广泛地用于电磁感应理论教学和实验研究中。该装置选用微处理器ADuC832,由硬件电路设计和软件设计两部分所组成。硬件部分包括了运动非磁性导体驱动磁体转动测量电路、位置检测电路、电磁铁驱动电路、通讯电路、液晶显示电路和光电门电路等。软件部分进行模块化设计。运用这一装置进行永磁体与运动非磁性导体相互作用的研究,可以得出与理论分析一致的结论:当铝圆柱逆时针方向转动时,磁体所受的合力矩始终方向向上;而顺时针方向转动时,铝圆柱的速度从零逐渐增大的过程中,有一个临界速度存在,磁体所受的合力矩表现为先向下后向上;运用U形有机玻璃支架上带转轴的永磁体,实现了运动非磁性导体驱动永磁体的转动。由实验结果可知,永磁体转速与铝圆柱的线速度大小近似成正比,曲线会出现微小的波动。为了解决这一问题,利用美国PASCO公司生产的磁悬浮实验数据采集系统,测量永磁体角加速度与铝盘线速度的关系,并从永磁体的分子环流模型出发,运用毕奥-萨法尔定律,场叠加原理,推到出磁体绕中心转轴旋转到任意位置时,导体中的磁场分布解析表达式,进而对磁体受到的电磁驱动力矩进行定量计算,以驱动力矩与空气阻尼力矩的共同作用可以解释角速度出现微小波动,通过与实验测试结果进行比较,验证了分析结果的正确性。
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