過山車快速停下的秘密

黃才發(fā)

為何很多電表把線圈繞在閉合的鋁框上？電氣列車中的電磁制動器如何工作的？掃描隧道顯微鏡（STM）如何有效隔離外界振動對其的擾動？靈敏電流計在運輸過程中，為何在兩個接線柱上接上一根導(dǎo)線？

這些都跟電磁阻尼有關(guān)。當(dāng)閉合回路導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動時產(chǎn)生感應(yīng)電流，使導(dǎo)體受到安培力，安培力阻礙導(dǎo)體的運動，這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼。電磁阻尼是一種十分普遍的物理現(xiàn)象，任何相對磁場運動的導(dǎo)體，只要有感應(yīng)電流通過，就會存在電磁阻尼作用。

使用磁電式電表測量時，由于指針轉(zhuǎn)動軸的摩擦力矩很小，若沒有采取措施，線圈及指針會在指示值附近來回擺動，不易穩(wěn)定下來。故而，很多電表把線圈繞在閉合的鋁框上，當(dāng)線圈擺動時，在閉合鋁框中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感生電流在磁場中所受力方向與鋁框運動方向相反，因而能阻礙表針運動，可使線圈及表針快速穩(wěn)定在指示值位置。

靈敏電流計搖動后，讓指針有較大的擺動幅度，停止搖動后，發(fā)現(xiàn)指針要擺動多次，經(jīng)過一定時間才能停止下來。如果在兩個接線柱上接上一根導(dǎo)線（短路線），可發(fā)現(xiàn)指針擺幅迅速減小，比不連導(dǎo)線時擺動的時間要短得多。這是由于與指針相連的線圈在磁場中擺動時產(chǎn)生了感應(yīng)電流，線圈受到安培力形成的阻力矩作用，使指針擺幅迅速衰減，從而起到阻尼保護的作用。故在搬動或運輸靈敏電流計過程中，應(yīng)在兩個接線柱上接上一根導(dǎo)線，避免電流計受到振動指針振幅過大而被撞彎或軸尖脫落等情況發(fā)生。

掃描隧道顯微鏡（STM）可用來探測樣品表面原子尺度上的形貌。為了有效隔離外界振動對其的擾動，在圓底盤周邊沿其徑向?qū)ΨQ地安裝若干對紫銅薄板，通過施加磁場來快速衰減其微小振動。無擾動時，對紫銅薄板施加恒定磁場。一旦出現(xiàn)擾動，紫銅薄板上下或左右振動產(chǎn)生渦電流，渦流產(chǎn)生的磁場總要阻礙紫銅薄板在磁場中的運動，從而使其快速穩(wěn)定下來。

電磁阻尼現(xiàn)象廣泛應(yīng)用于需要穩(wěn)定摩擦力以及制動力的場合，如電表、電磁制動機械等。電氣列車中的電磁阻尼器在產(chǎn)生阻尼力的過程中，初級回路和次級回路沒有直接接觸，有噪聲小、維護方便、可靠性高、阻尼力可調(diào)的優(yōu)點，因此電磁阻尼器在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，其中在電磁制動領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛。例如高速列車（如動車）、電車和磁懸浮列車等的制動系統(tǒng)中電磁制動器就是根據(jù)電磁阻尼原理制成的，像磁懸浮列車?yán)脺u電流達到減速目的。

游樂場中過山車的“磁力剎車裝置”，道理也一樣。在過山車兩側(cè)安裝銅片，停車區(qū)的軌道兩側(cè)安裝強力磁鐵，當(dāng)過山車進入停車區(qū)的過程中兩側(cè)的銅片會產(chǎn)生感應(yīng)電流，銅片受到安培阻力使過山車減速，讓過山車能很快地停下。電磁緩速器是車輛上提高運行安全性的輔助制動裝置，其工作原理也是利用電磁阻尼作用減緩車輛的速度。

金屬處于變化的磁場中，金屬內(nèi)部將產(chǎn)生感應(yīng)電流渦流。渦流的磁場總是阻礙導(dǎo)體與原磁場的相對運動。當(dāng)導(dǎo)體與磁場相對運動時，感應(yīng)電流受到的安培力阻礙它們的相對運動，利用安培力阻礙導(dǎo)體與磁場間的相對運動就是電磁阻尼。反之，如果磁場相對于導(dǎo)體轉(zhuǎn)動，在導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的作用，安培力使導(dǎo)體運動起來，安培力是導(dǎo)體運動的動力，這種現(xiàn)象稱為電磁驅(qū)動。電磁驅(qū)動在實際生活中的應(yīng)用也很廣泛，家庭中用的電能表，汽車上用的電磁式速度表（轉(zhuǎn)速表）、航母上飛機的電磁彈射以及感應(yīng)電動機等，都是利用電磁驅(qū)動原理制成的。

在電磁驅(qū)動現(xiàn)象中，導(dǎo)體在安培力作用下的運動速度總要比磁場的運動速度慢一些，原因是什么？原來在電磁驅(qū)動現(xiàn)象中，安培力的作用效果是阻礙相對運動，如果導(dǎo)體速度和磁場速度一樣，則兩者相對速度為零，便不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這時電磁驅(qū)動作用就會消失，所以導(dǎo)體的運動速度要小于磁場的運動速度。感應(yīng)電動機（異步電動機）就是依據(jù)該原理制成的。電磁驅(qū)動作用可用來制造測量轉(zhuǎn)速的電表，這類轉(zhuǎn)速表常稱為磁性轉(zhuǎn)速表。

電磁驅(qū)動具有動能轉(zhuǎn)化機械磨損率低的優(yōu)點，同時電磁驅(qū)動作為一個零接觸的驅(qū)動方式，是一種新能源，低碳的理念與可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略相吻合，電磁驅(qū)動越來越被人們所重視，目前已經(jīng)運用到各行各業(yè)，小到孩童時代的四驅(qū)車馬達，大到工業(yè)應(yīng)用的驅(qū)動裝置，如感應(yīng)電機、電磁驅(qū)動棒、磁懸浮列車電磁驅(qū)動器等。

下面讓我們來做小實驗吧

[器材]

廢舊鋁鍋蓋、釹鐵硼磁鐵、棉線、手機支架、剪刀、螺母、電飯煲內(nèi)膽（鋁質(zhì)材料）

1[亦驅(qū)亦阻]

用剪刀從鋁鍋蓋上剪下鋁片一塊，用棉線穿過鋁片掛在手機支架上。磁鐵靠近鋁片左右擺動（兩者并未接觸，磁鐵也不會吸引鋁片），發(fā)現(xiàn)鋁片跟著左右擺動，只不過速度小于磁鐵速度。若先讓鋁片擺動起來，當(dāng)磁鐵靠近鋁片時，發(fā)現(xiàn)鋁片很快停止擺動。

2[電磁阻尼]

對比實驗：各7 片磁鐵吸住螺母，用兩根長度相同的棉線穿過螺母固定在支架上，一個靠近（只是靠近并未接觸，磁鐵也不會吸引鋁片）磁鐵下方放個鋁質(zhì)電飯煲內(nèi)膽，把兩磁鐵拉離相同幅度靜止釋放，發(fā)現(xiàn)下方有鋁鍋的很快停下。