第十章 磁场参考资料

1．磁浮列车简介

磁浮技术的发展可追溯到1969年，德国牵引机车公司研制出TR01型磁浮模型，1971年研制出TR02型列车，在1km轨道上时速为165km，这是磁浮列车的第一个里程碑。目前世界上有两类成熟的磁浮技术，一类是德国的常导磁浮技术，另一类是日本的超导磁浮技术，都是世界上最先进的。上海磁浮列车采用德国最新的TR08系列。磁浮列车的核心技术是驱动系统，它相当于将电动机的定子和转子分别切开后铺到列车上或轨道上，形成直线电动机（图12）。如果将定子安装在轨道上，转子安装在列车上，这时定子很长，叫长定子型；反之叫短定子型。习惯上电动机的定子产生运动磁场，是驱动部分，所以通常都做成短定子型。但长定子型可延长驱动力的范围，功率比较大，能达到高速。上海磁浮列车是长定子型，由于定子线圈要铺满全轨道，成本较高。日本的磁浮列车也采用长定子型，而且采用了用液氦冷却的超导线圈，因而可产生特强磁场，其最高时速度可达552km/h，日本磁浮列车的缺点是造价昂贵，而且低速起步阶段需要用橡胶轮，时速达100km/h时才会浮起。

德国的TR08型与日本的MLX01型磁浮列车在悬浮形式上也不相同（图13），前者是支撑在T形架上靠吸引浮起，车身离导轨高15cm，相吸磁体间距为10cm。后者是限位在凹槽中，依靠侧壁磁场之间的吸引和排斥作用，最终能浮离底部10cm。开发磁浮技术具有重要的经济价值，在它的带动下将形成一个新的产业，从而引起相关技术的发展，如机械、电气、自动化、航空、汽车、材料工业等都会被广泛地带动。

2．关于通电直导线相互作用的演示实验方案

此演示器用铝箔作导线，质轻且制作方便，演示效果明显。其结构如图14所示。

（1）直导线：拆取大容量电解电容器内铝箔，抹平后截取20cm×5cm两条铝箔带，用直径约1.5cm的圆棒（可用静电实验中的起电棒）作骨架，把铝箔卷成圆筒，在其接缝处用胶水纸粘牢，作直导线用（同法做两根，即图中“A”“B”）。为保证接触良好，卷在铝管上时要卷紧，多卷几圈，再用胶水纸固定，然后抽出铝管中的圆棒。再截四条25cm×1.5cm的铝箔条，分别粘贴在铝管的两端作引出导线。

（2）木支架：30cm×2cm×1cm木条两根作支架，0.8cm×40cm、厚约0.2mm的铜片四块作导电片，用3mm螺钉把铜片固定在木条上，螺钉露出的部分当作接线柱。然后按图14所示，把铝箔带紧贴铜皮，在木条上紧绕几圈后加以粘合。必须注意总装后铝箔带不能有扭折，否则将影响演示效果。如有专用的支架固定使用，更易保存。

（3）控制电路：按图15所示连接线路，当双刀双掷开关置于“1”位置时，通过两铝管上电流方向相同，两铝管相互靠近；置于“2”位置时，通过两铝管上的电流反向，两铝管相互推斥。

电源可用6V蓄电瓶，操作时只能瞬时接通，否则因电流太大会损坏电源。

两铝管间的距离对实验效果有很大影响。“相吸”时两铝管相距以3～5mm为宜；“相斥”时以2～3mm为宜。

3．关于磁感应强度的三种定义方式

（1）用磁场对运动电荷的作用来定义

设一个试探电荷q₀，沿垂直于磁场方向运动的速度为v，这时电荷受到磁场对它的作用力为最大，其值为F_max，则定义B的大小为

B＝F_max/q₀v 。

（2）用电流元在磁场中受力来定义

设试探电流元IΔl，使电流方向与磁场方向垂直，这时电流元受到磁场对它的作用力为最大，其值为F_max，则定义B的大小为

B＝F_max/IΔl 。

（3）用通电小线圈所受力矩来定义

设单匝试探线圈，电流为I，面积为S，放在磁场中某一位置，它可以自由转动，转轴与磁场方向垂直，它受到的最大力矩为M_max，则定义B的大小为

B＝M_max/IS

4．电动机效率的教学

效率η＝P_出/P_入这个概念对学生来说不是新知识，教学时应指出这跟能量守恒有关。如图16所示输入总功率＝输出有用功率＋无用功率。对电动机来说P出即输出机械功率，在电动机以恒力带动物体作匀速运动时P_出＝Fv或P_出＝Fs/t 。电动机的无用功率即线圈发热、转轴摩擦等消耗的功率，由于损耗不能避免，η总小于100％，设计精良的电动机，它的效率比其他动力机械效率高得多，可达到80％～90％。

在这里建议介绍一个重要的常识一一电动机的“卡转”问题。电动机工作时，如果输出功率过大（如转轴遇到很大阻力）时转轴会停止不动，叫做“卡转”或“卡死”。这对电动机是非常有害的，“卡转”之后电动机不再输出机械能，输入的电能全部转化为内能，由于电动机线圈的电阻是很小的，因此电流非常大，消耗的功率很大，而线圈的温度升高会造成电动机烧毁，因此电动机不应超负荷工作，更不允许“卡转”。

（1）本节学生实验方案的一种改进是用皮带传动（或齿轮传动）方式加挂一个减速装置如图17（a）。在电动机转速较大时，实际起重速度并不大，起重的力可以大许多。测量要容易得多，有的方案甚至于用玩具小汽车轮子的转轴来起吊重物，似乎更容易测量，但这样做也有缺点，因为这已经不是严格意义上的电动机效率，而是整个机组的效率。

（2）通常用来测电动机输出功率的传统方法如图17（b）所示。在电动机皮带轮外套上一段摩擦带，带的一端固定在天花板上，另一端串接一个测力计之后也挂在天花板上。电动机不转动时读出测力计的示数F1（这时摩擦带有一定的正压力压紧在皮带轮上）。当电动机匀速转动时（从右向左看逆时针转动），由于摩擦力作用，测力计示数将稳定为F₂，这时摩擦力F_f＝F₂－F₁。在此同时用转速表测得电动机的转速为n，若皮带轮的半径为r，皮带边缘的线速度为v＝2πnr。由此可得到电动机克服摩擦做功的功率，即输出功率为P＝F_fv＝2 πnr（F₂－F₁）。这种方案要求较高，而且适宜于测功率较大的电动机的功率，还存在安全问题，一般不适合中学教学。

（3）部分常见家用电器中电动机的输入功率

摘自《实用家电器具手册》

5．电磁学实验箱应用

“电磁学实验箱”可以做很多实验，如小电动机配件、导体棒切割磁感线产生感应电流实验装置（除电流表外）套件、奥斯特实验、通电螺线管周围存在磁场、左手定则、产生感应电流的条件、测磁铁某处的磁感应强度、话筒原理、地震测量仪（电磁感应的应用）等。实验包组件如图18所示。

现在介绍两个利用“电磁学实验箱”的实验。

（1）通电直导线周围存在磁场（奥斯特实验）

【实验器材】

①支架；②30cm长导线；③小磁针；④电池；⑤螺钉和螺母；⑥弹簧。

【实验装置】

如图19所示。

【实验步骤】

①将30cm长导线用螺钉固定在支架上的圆孔处，再把小磁针放在导线平直部分的正下方，然后将一节5号电池放在支架中间。

②用两手相向轻推支架片，使它的两片分别与电池的正负极轻轻接触一下，同时观察小磁针，会发现小磁针发生偏转，说明通电直导线周围存在磁场。

③根据小磁针N极的指向和电流方向，可以验证右手螺旋定则。

（2）验证左手定则

【实验器材】

①支架；②铜棒；③强磁铁；④电池；⑤弹簧。

【实验装置】

如图20所示。

【实验步骤】

①支架、磁铁、电池以及弹簧按结构图组装起来。

②将铜棒轻轻放在支架组成的导轨上（要保证铜棒无初速度释放），会发现这时铜棒向纸面内运动。

③根据电流方向、铜棒受磁场力方向、磁场方向，验证左手定则。

（上海市嘉定区第二中学供稿）

发布时间：2010/9/29 上午7:42:36  阅读次数：5100