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磁悬浮笔的实验

(2016-08-24 10:57:16)


   结业典礼上,我光荣的获得了科学之星,老师分给了我们一盒磁悬浮笔,听说可以将笔浮在空中,好神奇啊!回到家,我就迫不及待的拿出磁悬浮笔做起实验来!


   实验器材:亚克力板、笔芯、O型磁铁圆片、泡沫定位板、垫圈

磁悬浮笔的实验

磁悬浮笔的实验







磁悬浮笔的实验





   实验步骤:

   1、我先在泡沫定位板槽位中分别插入两个O型磁铁圆片(两个槽位插入四个O型磁铁圆片),这里同学们一定要注意了,插入磁铁圆片的磁极一定要保持一致,而且同一槽位的两个圆片要保持一定的距离。


   2、将亚克力板插入到另一个槽位中。


   3、在笔芯上穿上两个O型垫圈,再取剩下的两个磁铁,根据底板上磁铁的朝向,分别在笔的头尾部套入磁铁,最后,再加上O型垫圈将磁铁定位。


   4、调整笔尖与前一个磁铁的距离,然后再调整两个磁铁之间的距离,使得在笔芯的两个磁铁的距离跟在泡沫定位板上两槽位的磁铁跟亚克力板之间的距离相同。(这里,只有当几个距离值相当的情况下,笔才能悬浮起来。)同学们,需要反复调试几篇哦。


   5、最后,将笔尖顶着亚克力板,磁悬浮笔在磁铁上空浮起来了!

磁悬浮笔的实验

同学们,是不是觉得很神奇呢,想不想知道其中的奥秘,那就跟我一起来探索吧!


我们先来了解下一些概念。


    磁铁:磁铁是一种可以相互吸引或相互排斥的物质,磁铁是可以产生磁场的物体,为一磁偶极子,能够吸引铁磁性物质如铁、镍、钴等金属。磁极的判定是以细线悬挂一磁铁,指向北方的磁极称为指北极或N极,指向南方的磁极为指南极或S极。


   磁场:所谓磁场,就是指存在磁力作用的空间。磁场是物质存在的基本形式之一,它存在于磁体周围空间、运动电荷周围空间以及电流周围空间。在磁场中最常见的现象就是两个带磁性的物体的相互吸引或相互排斥,所以磁体之间的相互作用是通过磁场来进行的。磁场对于通电导体也会产生力的作用,说明磁场具有力的性质,当通电导体在磁场内移动时,磁场力将对通电导体做功,表示磁场具有能量。这些表现说明磁场的物质性。


   磁极:磁体上磁性最强的部分叫磁极。磁铁周围存在磁场,磁铁之间的相互作用就是以磁场作为媒介的。一个磁铁无论多么小都有两个磁极,可以在水平面内自由转动的磁铁,静止时总有一个磁极指向南方,另一个磁极指向北方。一个磁体无论任何小都有两个磁极,一个磁极叫北极(N),一个磁极叫南极(S)。


   磁极之间呈现同性磁极相互排斥、异性磁极相互吸引的现象。地球是一个巨大的磁体,它也有两极。这两个磁极的位置与地球的南极和北极很接近,人们把地球北极附近的磁极叫地磁南极,另一磁极叫地磁北极。


磁悬浮笔的原理:


   利用“同性相斥,异性相吸”的原理,四块磁铁磁极往上,形成一个小型磁场,穿过磁铁的笔芯就等于小磁铁,磁场具有抗拒因重力而下降的能力,把笔放到适合的位置时,小型磁场使笔完全脱离的轨道,悬浮起来。


 磁悬浮笔的实验

下面我们再来看看磁悬浮的知识拓展:


   1842年,英国物理学家Earnshow就提出了磁悬浮的概念,同时指出:单靠永久磁铁是不能将一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态。


   1900年初,美国,法国等专家曾提出物体摆脱自身重力阻力并高效运营的若干猜想--也就是磁悬浮的早期模型。并列出了无摩擦阻力的磁悬浮列车使用的可能性。 然而,当时由于科学技术以及材料局限性磁悬浮列车只处于猜想阶段,未提出一个切实可行的办法来实现这一目标。


   1937年,德国的赫尔曼·肯佩尔申请了磁悬浮列车这一的专利。


   20世纪60年代,世界上出现了3个载人的气垫车实验系统,它是最早对磁悬浮列车进行研究的系统。随着技术的发展,特别是固体电子学的出现,使原来十分庞大的控制设备变得十分轻巧,这就给磁悬浮列车技术提供了实现的可能。1969年,德国牵引机车公司的马法伊研制出小型磁悬浮列车系统模型,以后命名为TR01型,该车在1km轨道上时速达165km,这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。

磁悬浮笔的实验

磁悬浮笔的实验



   1966年,美国科学家詹姆斯·鲍威尔和戈登·丹比提出了第一个具有实用性质的磁悬浮运输系统。


   在20世纪70、80年代,磁悬浮列车系统继续在德国蒂森亨舍尔测试和实施运行。德国开始命名这套磁悬浮系统为“磁悬浮”。


   1970年代以后,随着世界工业化国家经济实力的不断加强,为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要,德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。


   在制造磁悬浮列车的角逐中,日本和德国是两大竞争对手。1994年2月24日,日本的电动悬浮式磁悬浮列车,在宫崎一段74km长的试验线上,创造了时速430km的日本最高记录。1999年4月日本研制的超导磁悬浮列车在实验线上达到时速550 km,德国经过20年的努力,技术上已趋成熟,已具有建造运营线路的水平。原计划在汉堡和柏林之间修建第一条时速为400 km的磁悬浮铁路,总长度为248 km,预计2003年正式投入营运,但由于资金计划和辐射健康问题,2002年宣布停止了这一计划。


2009年时,国内外研究的热点是磁悬浮轴承和磁悬浮列车,而应用最广泛的是磁悬浮轴承。它的无接触、无摩擦、使用寿命长、不用润滑以及高精度等特殊的优点引起世界各国科学界的特别关注,国内外学者和企业界人士都对其倾注了极大的兴趣和研究热情。


   磁悬浮是利用悬浮磁力使物体处于一个无摩擦、无接触悬浮的平衡状态,磁悬浮看起来简单,但是具体磁悬浮悬浮特性的实现却经历了一个漫长的岁月。由于磁悬浮技术原理是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化高新技术。伴随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进一步的研究,磁悬浮随之解开了其神秘一方面。

磁悬浮笔的实验

   磁悬浮技术起源于德国,早在1922年德国工程师赫尔曼.肯佩尔就提出了电磁悬浮原理,并于1934年绘制出磁悬浮列车原理示意图并申请了磁悬浮列车的专利。1970年代以后,随着世界工业化国家经济实力的不断加强,为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要,德国、日本、美国、加拿大等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。目前世界上有三种类型的磁悬浮:一是以德国为代表的常导电式磁悬浮;二是以日本为代表的超导电动磁悬浮,这两种磁悬浮都需要用电力来产生磁悬浮动力;而第三种,就是我国的永磁悬浮,它利用特殊的永磁材料,不需要任何其他动力支持。


 


   随着航天事业的发展,模拟微重力环境下的空间悬浮技术已经成为进行相关高科技研究的重要手段。目前的悬浮技术主要包括电磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、静电悬浮、粒子束悬浮等,其中电磁悬浮技术比较成熟。电磁悬浮技术(electromagnetic levitation)简称EML技术。它的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属的悬浮体。


   磁悬浮列车是由无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统组成的新型交通工具,主要有超导型磁悬浮列车、常导型高速磁悬浮列车以及常导型中低速磁悬浮。

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