【浙江大學(xué)】電磁力實(shí)驗(yàn)裝置

　　功能作用介紹：

　　由浙江大學(xué)電工電子基礎(chǔ)教學(xué)中心電磁場(chǎng)課程組自主設(shè)計(jì)，并委托浙江大學(xué)求是公司加工，電磁力實(shí)驗(yàn)裝置于2014年年初完成設(shè)計(jì)定型與制造。該實(shí)驗(yàn)裝置隨后投入到浙江大學(xué)“工程電磁場(chǎng)與波”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，深得學(xué)生喜愛(ài)。在知識(shí)點(diǎn)掌握和學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力兩方面教學(xué)要求相結(jié)合的背景下，適應(yīng)當(dāng)今對(duì)電氣信息類高素質(zhì)學(xué)生培養(yǎng)的深度和廣度上的需求。

　　本實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)造了環(huán)形載流線圈與鐵磁平板系統(tǒng)、基于鏡像法，與原型等效的載流磁系統(tǒng)、盤式電磁鐵應(yīng)用系統(tǒng)三種磁系統(tǒng)。引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用已具備的電磁場(chǎng)知識(shí)，以及所引伸的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算、工程應(yīng)用軟件的仿真分析手段，對(duì)這些磁系統(tǒng)的場(chǎng)分布及電磁力等進(jìn)行實(shí)測(cè)、解析計(jì)算和仿真數(shù)值計(jì)算。并將這三種方法所得到的結(jié)果用來(lái)進(jìn)行相互印證和對(duì)比的專題研究。從而使學(xué)生不僅加深理解和掌握電磁場(chǎng)分析計(jì)算(場(chǎng)分布、參數(shù)、能量和力)各知識(shí)點(diǎn)，而且在運(yùn)用工程分析的觀點(diǎn)的能力基礎(chǔ)上，確立基于磁場(chǎng)鏡像法所得的具有工程分析計(jì)算精度、簡(jiǎn)明通用的理論分析計(jì)算平臺(tái)。

　　本實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)造的三種磁系統(tǒng)簡(jiǎn)要介紹如下：

　　1.環(huán)形載流線圈與鐵磁平板系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)主要由一環(huán)形載流線圈(內(nèi)外半徑分別為r1 = 5.0 cm、r2 = 5.6 cm，線圈高度為D = 2.0 cm)與一半徑為R = 12.0 cm，厚度為d = 0.4 cm的圓形鐵磁平板組成。其原理為在給定某一h(環(huán)形載流線圈中平面與鐵磁平板上表面之間的距離)下，載流線圈通以直流激勵(lì)，要求測(cè)量位于對(duì)稱軸的上半空間和鐵磁平板表面徑向的磁場(chǎng)分布。還要求改變電流大小，測(cè)量載流線圈對(duì)鐵磁平板的吸引力。因此實(shí)驗(yàn)裝置還配有直流穩(wěn)壓電源，測(cè)量磁場(chǎng)的兩種不同形式探頭的高斯計(jì)以及測(cè)力所需的電子秤。線圈與鐵磁平板之間的距離，由傘形齒輪和渦輪蝸桿構(gòu)造的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)位于裝置右側(cè)搖桿上下調(diào)節(jié)線圈的位置，并借助標(biāo)尺來(lái)定位。為了保證實(shí)驗(yàn)研究的單一中心線的垂直度，利用一水平儀，通過(guò)調(diào)節(jié)該裝置底腳螺絲，以及電子秤的底腳螺絲，來(lái)保證圓形鐵磁平板、支承圓筒和電子秤三合一系統(tǒng)的單一軸線之垂直度。

　　2.對(duì)應(yīng)于1所描述的磁系統(tǒng)，鏡像法所采用的載流系統(tǒng)

　　對(duì)應(yīng)與1所描述的本實(shí)驗(yàn)構(gòu)造的環(huán)形載流線圈與鐵磁平板系統(tǒng)。若采用理想化假設(shè)：圓形鐵磁平板半徑R >> h、r1和r2(理論上應(yīng)令R→ ∞)，且設(shè)鐵磁平板磁導(dǎo)率? → ∞時(shí)，則就其上半空間呈軸對(duì)稱特征的磁場(chǎng)分布而言，可將1所描述的磁系統(tǒng)近似為環(huán)形載流線圈與無(wú)限大鐵磁平板所構(gòu)成的磁系統(tǒng)。從而，即可簡(jiǎn)捷地應(yīng)用鏡像法，求其上半空間磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的解析解。換句話說(shuō)，基于磁場(chǎng)鏡像法的應(yīng)用，1所描述磁系統(tǒng)上半空間中待求磁場(chǎng)分布，應(yīng)等同于如下所描述載流系統(tǒng)上半空間中的磁場(chǎng)分布

　　該系統(tǒng)主要由兩個(gè)相同的環(huán)形載流線圈(內(nèi)外半徑分別為r1 = 5.0 cm、r2 = 5.6 cm，線圈高度為D = 2.0 cm)組成。其原理為兩環(huán)形載流線圈中平面之間的距離H是1所描述系統(tǒng)中環(huán)形載流線圈中平面與鐵磁平板上表面之間的距離的兩倍，即H = 2h。兩載流線圈通以同樣大小的直流激勵(lì)，且要求電流環(huán)形方向相同，也要求測(cè)量磁場(chǎng)分布和電磁力。因該系統(tǒng)是1所描述系統(tǒng)的等效載流系統(tǒng)，故所測(cè)量結(jié)果在誤差范圍之下是一致的，從而讓“鏡像法”原理由實(shí)驗(yàn)直觀、形象地展示。為滿足邊界條件，通過(guò)鏡像載流線圈位置及其載流方向的確定，實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)理論有了清晰的理解。此外，線性系統(tǒng)疊加原理的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)與講授知識(shí)點(diǎn)緊密關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步加深了鏡像法、疊加原理應(yīng)用的理解。

　　3.盤式電磁鐵應(yīng)用系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)主要由嵌入一環(huán)形載流線圈(內(nèi)外半徑分別為r1 = 5.0 cm、r2 = 5.6 cm，線圈高度為D = 2.0 cm)的盤式電磁鐵與一半徑為R = 12.0 cm，厚度為d = 1.25 cm的圓形鐵磁平板組成。盤式電磁鐵的外半徑為 r3 = 7.8 cm，高度為W = 3.8cm。其原理為在給定某一H(環(huán)形載流線圈下表面與鐵磁平板上表面之間的距離)下，載流線圈通以直流激勵(lì)，要求測(cè)量鐵磁平板表面徑向的磁場(chǎng)分布，以及改變電流大小，測(cè)量盤式電磁鐵對(duì)鐵磁平板的吸引力。在本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)盤式電磁鐵應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建，“場(chǎng)空間”的概念被具體化為鐵磁材料的應(yīng)用實(shí)際，而盤式電磁鐵作用于鐵磁平板的電磁力對(duì)比于1所描述線性磁系統(tǒng)中環(huán)形載流線圈作用于鐵磁平板的電磁引力，因鐵磁材料的引入，極大地增強(qiáng)了電磁力效應(yīng)，從而增進(jìn)了學(xué)生對(duì)工程上廣泛應(yīng)用鐵磁材料的工程意義及其價(jià)值之理解，并進(jìn)而深化了“高能量密度”、“優(yōu)化設(shè)計(jì)”等工程用語(yǔ)的體會(huì)。

　　作品名稱：電磁力實(shí)驗(yàn)裝置

　　完成單位：浙江大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心