電磁感應(yīng)與磁懸浮實驗誤差來源分析及改進(jìn)措施*

韓智超 劉艷峰

(延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 陜西 延安 716000)

磁懸浮是一系列技術(shù)的統(tǒng)稱,包括借助磁力的方法懸浮、導(dǎo)引、驅(qū)動和控制等技術(shù),其主要基本原理是電磁感應(yīng)[1].隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和人們對高速、高效、環(huán)保交通方式的追求,磁懸浮技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用[2].電磁感應(yīng)與磁懸浮實驗作為磁懸浮技術(shù)的基礎(chǔ),其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性對磁懸浮技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要[3-4].在研究電磁感應(yīng)與磁懸浮實驗的過程中,主要研究了導(dǎo)體在磁場中運動產(chǎn)生的磁牽引力、磁懸浮力等磁懸浮現(xiàn)象的規(guī)律,然后通過數(shù)據(jù)擬合得出經(jīng)驗公式.本文從電磁感應(yīng)與磁懸浮實驗中可能存在的誤差入手,發(fā)現(xiàn)在該實驗中存在的主要問題是當(dāng)鋁盤在手動設(shè)定升速的實驗過程中,數(shù)字儀表的數(shù)顯不穩(wěn)定,導(dǎo)致讀數(shù)不容易確定,給實驗操作過程帶來不便,同時也給實驗結(jié)果帶來較大的誤差.針對這一問題,本文利用智能手機的錄像功能,對實驗操作過程和數(shù)字儀表記錄數(shù)字的過程進(jìn)行了改進(jìn).

1 實驗裝置

電磁感應(yīng)與磁懸浮實驗裝置是由武漢光馳教育科技股份有限公司研制的GCDC-A型實驗儀,由光電傳感器、力傳感器、鋁盤、步進(jìn)電機、底座和支架等組成,如圖1和圖2所示.

圖1 鋁盤、磁懸浮測試組等組件圖

圖2 控制終端儀器圖

2 實驗原理

楞次定律表明感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流磁通量的變化[5],法拉第[7]于1831年發(fā)現(xiàn),當(dāng)一個導(dǎo)體處于變化的磁場中時,導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,這個電動勢的大小與磁場的變化速率有關(guān).具體來說,當(dāng)一個導(dǎo)體(可以是一根導(dǎo)線、一個線圈或一個回路)被置于變化的磁場中時,磁場的變化會導(dǎo)致在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電場.如果導(dǎo)體是一個回路,這個電場將會產(chǎn)生一定的電流,從而形成一個感應(yīng)電動勢.法拉第電磁感應(yīng)定律用公式表示為

其中,E表示感應(yīng)電動勢,dΦ表示通過導(dǎo)體的磁通量改變量,dt表示時間的變化量.

3 誤差來源分析及改進(jìn)措施

在該實驗中存在的主要問題是鋁盤在每次手動設(shè)定升速時,鋁盤和軸承轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定,導(dǎo)致了數(shù)字儀表的數(shù)顯不穩(wěn)定,最終讀數(shù)不容易確定,給實驗操作過程帶來不便,也給實驗結(jié)果帶來較大的誤差.究其原因主要是實驗要求測試員從最小頻率開始,逐級加大脈沖頻率直到最大頻率為止.測量者手動設(shè)定升速的過程是個間斷的不連續(xù)的過程,所以導(dǎo)致鋁盤旋轉(zhuǎn)速度也是個非線性提升的過程,數(shù)顯儀表讀數(shù)很難穩(wěn)定下來.在這種轉(zhuǎn)速提升模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)測量,每一次轉(zhuǎn)速提升都會有一個誤差的存在.

經(jīng)過分析,減小誤差的主要辦法是穩(wěn)定鋁盤和軸承的轉(zhuǎn)速,常規(guī)方法是通過足夠長的時間來穩(wěn)定鋁盤和軸承的轉(zhuǎn)速,但這種辦法是有弊端的,第一是耗時太多,而該實驗要研究的點較多,嚴(yán)重影響了實驗的進(jìn)度;第二是即使耗時很多,該實驗受外界環(huán)境影響較大,最終數(shù)顯還是不能很好的穩(wěn)定下來,讀數(shù)還是要人為的、主觀的去選擇數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄.為了從根本上解決這一問題,提出如下改進(jìn)措施.

(1)先將鋁盤的轉(zhuǎn)速一次性提升至實驗儀器轉(zhuǎn)速設(shè)定上限即600 rpm;

(2)按動啟停按鈕,讓鋁盤轉(zhuǎn)速自然逐級下降.并且用視頻記錄轉(zhuǎn)速下降時控制終端顯示面板上的數(shù)據(jù)變化過程;

(3)通過回放觀看手機視頻,記錄不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的實驗數(shù)據(jù),并且將視頻記錄的數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)表格.

4 改進(jìn)前后的測量數(shù)據(jù)及處理

磁鐵與鋁盤間的橫向位置保持不變,沿鋁盤的直徑方向,縱向距離保持不變,距離鋁盤中心為15 mm的情況下,測量了改進(jìn)前和改進(jìn)后鋁盤不同轉(zhuǎn)速下的磁牽引力、磁懸浮力.

(1)改進(jìn)前后磁牽引力與鋁盤轉(zhuǎn)速關(guān)系的測量數(shù)據(jù)如表1和表2所示.

表1 改進(jìn)前的磁牽引力與鋁盤轉(zhuǎn)速關(guān)系數(shù)據(jù)

表2 改進(jìn)后的磁牽引力與鋁盤轉(zhuǎn)速關(guān)系數(shù)據(jù)

改進(jìn)前測量數(shù)據(jù)不容易確定,所以讀數(shù)較少,改進(jìn)后的方案記錄數(shù)據(jù)比較容易,所以數(shù)據(jù)較多,但不影響二者的定性和定量比較,將改進(jìn)前后的測量數(shù)據(jù)利用Excel進(jìn)行二項式擬合[7]數(shù)據(jù)處理,擬合結(jié)果如圖3所示.

由圖3可以明顯地看出,改進(jìn)后的測量數(shù)據(jù)更加集中,線形更好,實驗數(shù)據(jù)擬合的函數(shù)圖像與數(shù)據(jù)散點更貼合,數(shù)據(jù)的離散度也比改進(jìn)前的實驗數(shù)據(jù)要低.

圖3 改進(jìn)前后磁牽引力與鋁盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖對比

(2)改進(jìn)前后磁懸浮力與鋁盤轉(zhuǎn)速關(guān)系的測量數(shù)據(jù)如表3和表4所示.

表3 改進(jìn)前磁懸浮力與鋁盤轉(zhuǎn)速關(guān)系數(shù)據(jù)

表4 改進(jìn)后磁懸浮力與鋁盤轉(zhuǎn)速關(guān)系數(shù)據(jù)表

改進(jìn)前測量數(shù)據(jù)不容易確定,所以讀數(shù)較少,改進(jìn)后的方案記錄數(shù)據(jù)比較容易,所以數(shù)據(jù)較多,但不影響二者的定性和定量比較,將改進(jìn)前后的測量數(shù)據(jù)利用Excel進(jìn)行二項式擬合數(shù)據(jù)處理,擬合結(jié)果如圖4所示.

圖4 改進(jìn)前后磁懸浮力與鋁盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖對比

由圖4可以明顯地看出,改進(jìn)后的測量數(shù)據(jù)更加集中,線形更好,實驗數(shù)據(jù)擬合的函數(shù)圖像與數(shù)據(jù)散點更貼合,數(shù)據(jù)的離散度也比改進(jìn)前的實驗數(shù)據(jù)要低.

5 結(jié)束語

本文結(jié)合智能手機的錄像功能,對實驗操作過程和數(shù)字儀表記錄數(shù)字的過程進(jìn)行了改進(jìn).過去對鋁盤多次手動設(shè)定升速的過程中導(dǎo)致鋁盤轉(zhuǎn)速和軸承轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定,使得數(shù)顯儀讀數(shù)不穩(wěn)不容易確定,針對這一問題提出了改進(jìn),具體就是一次性將鋁盤的轉(zhuǎn)速升到最高,然后讓其自動降速,在自動降速的過程中利用智能手機的錄像功能進(jìn)行錄像,最后通過回放錄像記錄數(shù)據(jù).本文對改進(jìn)前后的測量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了多項式擬合處理并進(jìn)行比對,發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的實驗數(shù)據(jù)誤差更小,擬合方程曲線更貼近實驗數(shù)據(jù)點,線形更好.這表明對數(shù)據(jù)誤差的分析與針對誤差的改進(jìn)措施是正確的,這一改進(jìn)措施不僅提高了實驗的操作效率,也提高了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.