华中科技大学大学物理实验-电磁感应与磁悬浮
磁悬浮导轨上的力学实验误差分析
磁悬浮导轨上的力学实验误差分析作者：李爽周晓红胡永金毛书哲来源：《科技视界》2020年第18期摘要磁悬浮实验套装在一定程度上普及了磁悬浮技术的应用，但是由于仪器设计的自身限制，使得实验误差比较大，文章在分析了引起实验误差的基础上，既对实验指导提出了可行性意见，又在仪器研发的设计上给出了合理的建议。
关键词磁悬浮;DHSY-1型;误差分析;仪器改进中图分类号： P204 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 文献标识码： ADOI：10.19694/ki.issn2095-2457 . 2020 . 18 . 12随着科技的发展，磁悬浮技术的应用越来越广泛，为了使学生在物理实验学习中了解并掌握磁悬浮技术，我校大学物理实验教学中心引入了磁悬浮实验仪器套装，开设相关的力学实验，取得了一定的教学效果。
但是在实验过程中，也发现该磁悬浮仪器套装在设计上有一定的局限性，在数据测量中存在一定的误差。
1 仪器介绍本实验室采用的磁悬浮仪器套装是DHSY-1型，实验装置如图1所示，有导轨、滑块、光电门、计数器等配件组成，导轨主体部分呈槽轨状。
此仪器套装采用的是最基本的永磁悬浮技术，即在槽轨底部的中心轴线嵌入一层永磁体（钕铁硼NdFeB磁钢），同时在滑块的底部安装同极性的磁钢，形成两组带状磁场，如下图2所示。
滑块与导轨是同极性磁铁，上下之间产生斥力，使滑块浮起来，避免相互接触，从而减少了运动的阻力此外，滑块在导轨槽内滑行，为了减小与两侧挡板摩擦，在滑块的两侧设计有滑轮。
2 误差分析与仪器设计2.1 滑轮与两侧挡板间的摩擦滑块在导轨内运行时，为了保证滑块在运行过程中不发生倾斜，处于稳定状态，必须使其与两侧挡板接触。
虽然在设计滑轮的设计时，它是可以内外伸缩的，滑轮与挡板的动摩擦因数也很小，但是有些同学在实验过程中，不调节滑轮的位置，致使滑轮与挡板密切接触，使得摩擦力增大，滑块上滑轮与导轨位置上方俯瞰图如下图3所示。
2.2 滑块在运行过程中上下浮动由于滑块运行过程中在竖直方向上受到的是重力和磁力的作用，其受力分析示意图如上图4所示。
华中科技大学传感器实验报告.
华中科技大学传感器实验报告系别:自动化学院专业与班级:物流 1104班实验时间:第 11周,星期四,上午学生姓名:吴雅娴学号:U201113759 同组人:龙贲璇实验名称:差动变压器的性能实验一、实验目的:了解差动变压器的工作原理和特性。
二、基本原理:差动变压器的工作原理电磁互感原理。
差动变压器的结构如图6-1所示,由一个一次绕组 1和二个二次绕组 2、 3及一个衔铁 4组成。
差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化, 即绕组间的互感随被测位移改变而变化。
由于把二个二次绕组反向串接(*同名端相接 ,以差动电势输出,所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器,通常简称差动变压器。
当差动变压器工作在理想情况下 (忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响 , 它的等效电路如图 6-2所示。
图中 U1为一次绕组激励电压; M1、 M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感:L1、 R1分别为一次绕组的电感和有效电阻;L21、 L22分别为两个二次绕组的电感; R21、 R22分别为两个二次绕组的有效电阻。
对于差动变压器, 当衔铁处于中间位置时, 两个二次绕组互感相同, 因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。
由于两个二次绕组反向串接, 所以差动输出电动势为零。
当衔铁移向二次绕组 L21,这时互感 M1大, M2小,图 6-1差动变压器的结构示意图图 6-2差动变压器的等效电路图因而二次绕组 L21内感应电动势大于二次绕组 L22内感应电动势, 这时差动输出电动势不为零。
在传感器的量程内,衔铁位移越大,差动输出电动势就越大。
同样道理, 当衔铁向二次绕组 L22一边移动差动输出电动势仍不为零, 但由于移动方向改变, 所以输出电动势反相。
因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。
由图 6-2可以看出一次绕组的电流为: 二次绕组的感应动势为:由于二次绕组反向串接,所以输出总电动势为:其有效值为:差动变压器的输出特性曲线如图 6-3所示 . 图中 E21、 E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势, E2为差动输出电动势, x 表示衔铁偏离中心位置的距离。
华中科技大学大学物理学课件电磁感应1
理论解释与实验结果（法拉第电磁感应定律）一致。
10
注意：
10 感生电动势不能用洛仑兹力解释 20 由
f e eE
f m e(v B )
Ek
得到启发： 有一个“非静电场”存在 “非静电场强”
Ek v B
11
电源电动势的定义： 动画 把单位正电荷从负极通过电源内部 移到正极，非静电力所做的功。
注意:
的变化。
N
S
H
5
它们产生的微观机理是不一样的!
1. 电磁感应现象： 2. 法拉第电磁感应定律
SI制 k=1 标量
（1） 感应电动势： 对一匝线圈： N 匝线圈：
dd i k dd tt
d( N ) d i N dt dt
N
（2）感应电流：
答疑安排： 时间：单周 1、3 晚 （晚7：30—9：30） 双周 2、4 晚 地点：西五楼116室(1、2晚) 东九楼A210室(3、4 晚)
第三篇 电磁学 1. 运动的电荷、电流周围存在磁场。 0 Idl r qv r B B 3 4 r 4 r
*右手定则 ——磁力线穿过手心，拇指指向导体运动方
向，四指的指向则为感应电流的方向。
动画
d * 法拉第电磁感应定律 i dt
负号表示感应电动势的方向 。
7
d i d t n n
B
n
B
n
i 0
d dt 0
0
d dt 0
i
第五篇 波动光学 第六篇 量子物理
主要参考书：
“大学物理学” 张三慧等 (清华大学) R.瑞斯尼克
电磁感应与电动机实验应用与原理解析
电磁感应与电动机实验应用与原理解析电磁感应与电动机实验是物理学中的重要实验之一，通过实验可以更加深入地理解电磁感应原理与电动机的工作原理。
本文将从实验应用与原理解析两个方面进行论述。
一、实验应用1. 电磁感应实验应用：电磁感应实验是研究电磁学的基础实验之一。
在日常生活中，电磁感应实验具有广泛应用。
例如，发电机的工作原理就是基于电磁感应实验建立的。
通过利用磁场穿过线圈时会诱发电压的原理，发电机将机械能转化为电能，实现了电力的发电与传输。
此外，电磁感应实验还应用于感应炉、磁悬浮列车等领域。
感应炉利用电磁感应产生的涡流来实现加热。
磁悬浮列车则是利用电磁感应原理产生的磁力来实现悬浮与运行。
2. 电动机实验应用：电动机是一种将电能转化为机械能的设备。
电动机实验主要用于研究电动机的特性与工作原理。
电动机实验具有广泛的应用领域，例如：家用电器、工业机械、交通工具等。
家用电器中，如洗衣机、空调、电扇等都采用了电动机来驱动。
电动机实验的研究可以帮助我们了解电动机的转动原理，从而提高其效率和使用寿命。
工业生产中，电动机是驱动各种机械设备的重要元件。
通过电动机实验，可以了解到电动机的额定功率、效率、负载特性等参数，为工业生产的合理选型提供依据。
交通工具中，电动汽车依靠电动机来实现驱动。
电动车辆的开发与改进需要通过电动机实验来研究电动机的性能，并提高转速、扭矩和能量转化效率等方面的指标。
二、原理解析1. 电磁感应原理：电磁感应是指导体磁场中发生变化时，会在导体中诱发感应电动势的现象。
根据法拉第电磁感应定律，当闭合电路中的磁通量发生变化时，电路两端会产生感应电动势和感应电流。
电磁感应原理的实验经典案例是用磁铁穿过线圈时，线圈内产生的感应电流可以点亮一个灯泡。
这是因为磁铁的运动改变了线圈中的磁通量，诱发了感应电流，从而推动了电路中的电子流动。
2. 电动机工作原理：电动机是将电能转化为机械能的设备，其工作原理基于电磁感应和洛伦兹力原理。
电磁感应与磁悬浮实验指导书
感应电动势的大小与磁通量变化率成正比。
3
楞次定律
感应电流产生的磁场总是阻碍原磁场的变化。
磁悬浮技术原理
磁力排斥型
利用同极性磁铁的相互排斥力实现物体的悬浮。
磁力吸引型
利用异性磁铁的相互吸引力和稳定化机构实现物体的悬浮。
磁力混合型
结合排斥型和吸引型的优点，实现更高效和稳定的悬浮。
磁悬浮技术的应用场景
学习磁悬浮技术
总结词
了解磁悬浮技术的原理和实现方式，掌握磁悬浮列车和磁悬浮轴承的基本工作 原理。
详细描述
通过实验操作，了解磁悬浮技术的概念和分类，掌握磁悬浮列车的工作原理和 特点，以及磁悬浮轴承的基本原理和应用。通过实验操作，观察磁悬浮物体的 现象，深入理解磁悬浮技术的实现方式和应用前景。
掌握实验操作流程
实验结束后，清理实验现场，确 保实验室整洁。
06
实验报告撰写要求
实验目的与意义
实验目的
通过电磁感应与磁悬浮实验，探究磁 场变化与感应电流之间的关系，理解 磁悬浮现象的基本原理。
实验意义
本实验有助于加深学生对电磁感应和 磁悬浮理论知识的理解，培养其动手 实践能力和科学探究精神。
实验过程描述
• 实验准备：准备好实验器材，包括线圈、磁铁、电流表、 电源等。
设定实验参数
设定电源电压
根据实验需要，调整电源电压，以控制电磁场强度。
选择磁铁材料和尺寸
根据实验目的，选择适当的磁铁材料和尺寸，以确保磁悬浮效果。
设定实验温度
保持实验环境温度恒定，以减小温度对实验结果的影响。
开始实验并记录数据
启动实验
接通电源，启动实验装置。
观察实验现象
观察磁悬浮现象，记录悬浮高度、电流等数据。
华中科技大学物理实验
2 m
2 m
y 的相对标准不确定度传递公式：
ln f ur ( y ) j 1 x j 2 u (x j )
24
2 u (x j )
2
2
f x i
和
ln f x i
16
二、不确定度(uncertainty)的计算 1、不确定度基本概念 测量不确定度：
与测量结果相关联的参数，表征合理地赋予 被测量值的分散性。反映了由于测量误差的 存在而对被测量值不能肯定的程度，是对被 测量真值所处的量值范围的评定。
标准不确定度u ：
用标准偏差表示的测量不确定度。
17
标准偏差 x 测量列 x1 ， x2 ， x3 ， x4 ，……， xn
• 有效数位 有效数字的位数（决定于仪器精 度及被测量量的大小）
0.0034（二位有效数字）
0.00340（三位有效数字） 实验测量中记录的数据必须是有效数字，有 效数位直接反映测量的准确度，不能随意取 舍。
29
• 有效数字与小数点的位置和单位无关，改 变单位时有效数位不变
0.000350 mm 3.50 107 m 3.50 102 nm
tp 大于1，与测量次数 n 有关,也与 P 有关。
tp 与 n 及 P 的关系 p
tp
0.95
n
3 4.30
4 3.18
5 2.78
6 2.57
7 2.45
8 2.37
9 2.31
∞ 1.96
21
B 类标准不确定度分量
分量，由不同于A类分量的其他方法确定。又称 非统计不确定度。
B类标准不确定度可表示为：
磁悬浮实验讲义
实验6-5 电磁感应与磁悬浮力实验目的、意义和要求电磁学之所以迅速发展为物理学中的一个重要学科，在于它的强大生命力，在于它在经济生活中有丰富的回报率。
电磁感应原理不但在传统的电机工程、变压器效应、无线通讯等领域中独领风骚，在现代医学、现代交通、信息产业等领域中也有许多应用。
本实验就是要通过一些电磁感应现象的揭示，悟出其中的原理和奥妙，并研究它的现象和磁力对各种材料的影响，探讨其在现实生活中的应用和发展，这对电磁感应从理论到实际的联系，对电磁感应的成因，性质、效应和规律的理解，都有很大的收益。
黄铜的电导率和磁导率分别为σ = 1.5 ⨯ 107 (S/m) 和 μ0 = 4π ⨯ 10-7 (H/m)趋腹深度(穿透深度)为(cm) 1072.21041029.22105.122579700--⨯=⨯π⨯⨯⨯π⨯⨯==μσωδ实验前应回答的问题1.什么是电磁感应？其产生的电流、电动势和电磁场如何定义？解答通过闭合回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中产生电流的现象叫电磁感应。
由电磁感应产生的电动势称感生电动势，由电磁感应产生的电流称感生电流。
电磁场是一种物理场，是相互依存的电场和磁场的总称。
电流随时间变化而引起磁场，磁场随时间变化产生电场，二者互为因果，形成电磁场。
2.楞次定律说明了什么？此实验中电能可能转化为何种能量？解答是确定感生电流方向的定律，即感生电流的方向，总是使其产生的磁场阻碍原来磁场的变化。
在此实验中电能有可能转化为热能和机械能等。
3.什么叫磁力？它和安培定律有什么关系？解答磁力也称为安培力它表述通电导线在磁场中受力的情况，其公式为F ＝BIL sin a 。
a 为磁场方向与电流方向的夹角B 为磁感应强度，I 为导线中的电流，L 为导线长度。
作用力F 的方向可用左手定则确定。
此公式也可称为安培定律。
4.说明磁场强度及其对电流的关系？解答磁场强度是描写磁介质中磁场的一个辅助量。
磁介质中的磁场不仅与磁介质中的磁化电流有关，更和场源的电流有关，磁场强度定义为。
磁悬浮球系统中光电传感器的研究与设计
文章编号:1671-637Ⅹ(2005)0420065203磁悬浮球系统中光电传感器的研究与设计杨锋力, 李群明, 黄明辉, 杨安全(中南大学机电工程学院,湖南长沙 410083)摘 要: 主要针对磁悬浮球系统中非接触式位移检测,依据感光器件的光伏效应原理,阐述了非接触式光电传感器的研究与设计,实现了光电信号测量微位移。
通过磁悬浮球实验研究表明该传感器的精度(0.01mm)和响应速度(<0.1ms)均达到预期要求,从而给出了一种方便、低成本的位移检测方法。
关 键 词: 光电传感器; 硅光电池; 非接触测量; 磁悬浮中图分类号: TP212.13 文献标识码: AOn photoelectric sensor in magneticlevitation ball systemY ANG Feng-li,LI Qun-ming,H UANG Ming-hui,Y ANG An-quan(College o f Mechanicl&Electrical Engineering,Central South Univer sity,Changsha,410083,China)Abstract: The auth ors describe their research and design of ph otoelectric sens or according to a ph otoemission principle of the ph otocell,with which micro2distance measurement is realized in the magnetic levitation ball sys2 tem.The ex periment results sh ow that the precision(0.01mm)and quick response(<0.1ms)of this kind of sens or can meet the preset requirements.Thus a low-cost and convenient way for measuring displacement with2 out contact is provided.K ey Words: photoelectric sens or; photocell; non-contact measurement; magnetic levitation0 前言传感器技术作为控制实现的必要手段,是其他技术所难以替代的。
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【实验背景及原理】 1831年，英国科学家法拉第从实验中发现， 当通过一闭合回路所包围的面积的磁通量（磁感应强 度B的通量）发生变化时，回路中就产生电流，这种 电流称之为感应电流 。法拉第在1831年11月24日向 英国皇家学院报告了《电磁学的实验研究》的结果， 他将电磁感应的条件概括为：①变化的电流；②变化 的磁场；③运动的稳恒电流；④运动的磁铁；⑤在磁 场中运动的导体。
量精度应如何改进？ 4.本实验采用什么方法测量轴承转速？若要提高测量转速的稳
定性应如何改进实验装置？
5.铝盘转速与磁悬浮和磁牵引力有什么关系？
【实验仪器】
本实验的基本装置由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、磁悬浮测试底座和传感器支架、 带有小辐轮和永磁体的轴承等组成。
【注意事项】
1. 在安装力传感器和永磁体时，要注意检查磁 体与铝盘是否有摩擦，摩擦可能导致永磁体飞 出，造成伤人事故！
2. 传感器支持杆松动下滑，会导致永磁体飞出， 立柱上的固定螺丝一定要拧紧！
3、轴承附带的磁铁不要取下
【数据和结果分析】
1.用多项式拟合不同转速与磁牵引力的依赖关系，确定其函数 形式和相关系数。 2.用多项式拟合不同转速与磁悬浮力的依赖关系，确定其函数 形式和相关系数。 3.用多项式拟合拟合铝盘不同转速对轴承转速的依赖关系，确 定其函数形式和相关系数，计算其传动比。 4.拟合磁悬浮力,磁牵引力随距离改变的变化规律。
* 根据磁悬浮力的方向重新装配力传感器和永磁体
* 磁铁铝盘两层垫片的距离。 *频率从最小测到最大，每个频率测量三组数据。
3. 测量铝盘不同转速对轴承转速的影响。
如何使轴承转 速更稳定？
每个频率测量 六组数据
4、（选做）分析磁牵引力与悬浮力随距离的变化规律 *利用标准塑料垫片改变磁铁和铝盘的距离， *利用卡尺测量垫片厚度。
电磁感应与磁悬浮综合实验仪
单位为牛顿
测力前应使 读数回零
实验时避免两个磁铁相互影响
力传感器和永磁体应根 据实验内容进行装配
测力的方向
拧紧
三、实验内容
1.测量铝盘不同转速下磁牵引力的大小。
如何使牵 引力更大?
*磁铁铝盘两层垫片的距离。 *频率从最小测到最大，每个频率测量三组数据。
2.测量铝盘不同转速下磁悬浮力的大小。
d d ( N ) i N dt dt B E E dl B dS L t t S
磁悬浮是一系列技术的通称,它包括借助 磁力的方法 悬浮、导引、驱动和控制等。
磁悬浮的主要方式： 电磁吸引悬浮: Electro Magnetic Suspension
大学物理实验 电磁感应与磁悬浮
为调动同学们的学习积极性，充分发挥物 理实验BBS,促进教学的作用，登录BBS发言、讨 论有奖励加分，每个实验最高可加10分。 地址：http://218.199.86.171/bbs
【实验目的】 要求学生用电磁感应的基本定律，研究导 体在磁场中运动而导致的磁悬浮力、磁牵引力 等磁悬浮现象的规律性，通过数据拟合给出经 验公式，学会灵活运用电磁感应定律进行磁悬 浮的各种应用设计。
铝盘 步进电机控制器 永磁铁
力传感器
步进电机
磁力以及转速测量
对本实验装置，在金属铝盘与永磁体做相对运动时，测量产生的“磁悬浮 力”和“磁牵引力”。
步进电机控制器
步进电机可以将电脉冲转 化为角位移，当步进驱动 器接收到一个脉冲信号， 它就驱动步进电机按设定 的方向转动一个固定的角 度（即步进角）
f 1.8 2 f 16 360 1600
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，即
铝盘转速与磁悬浮力的关系（永磁体与铝盘尽量接近）
角速度=频率 步进电机 频率（Hz） x1.8x2/(16x360)
20000 21005 22008 23004 24015 39.25 41.22231 43.1907 45.14535 47.12944
转速=角速度 x60/2 (转/分钟)
平均值（牛顿）
0.079667 0.086667 0.094333 0.101667 0.11
25034
26006 27006 28033 29026 30031
49.12923
51.03678 52.99928 55.01476 56.96353 58.93584
0.117
0.125 0.134 0.143 0.152 0.162
0.118
0.126 0.135 0.144 0.153 0.162
0.119
0.127 0.136 0.145 0.154 0.164
0.118
0.126 0.135 0.144 0.153 0.162667
506.36255
525.61873 544.23755 563.08127
磁悬浮力和磁牵引力随离铝盘高度的变关系（选做）375 393.84373 412.65 431.325 450.28127 469.38755 487.61255 0.078 0.086 0.093 0.1 0.109
磁悬浮力（牛顿）
0.080 0.087 0.095 0.102 0.11 0.081 0.087 0.095 0.103 0.111
永磁斥力悬浮: Permanent Repulsive Suspension
感应斥力悬浮: ElectroDynamics Suspension
【预备问题】
1.产生电磁感应的条件是什么？产生磁悬浮现象的机理是什么? 2.产生磁悬浮的主要方式有那几种？各有什么特点？
3.本实验采用什么方法测量磁悬浮力和牵引力的？若要提高测