基于單片機的電磁阻尼擺實驗系統(tǒng)

摘 要：高中物理教材選修3-2提到，當導(dǎo)體在磁場中運動時，感應(yīng)電流會使導(dǎo)體受到安培力的作用，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體的運動，這種現(xiàn)象被稱之為電磁阻尼。為了驗證電磁阻尼現(xiàn)象搭建了以單片機為主處理器的電磁阻尼擺實驗系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：電磁阻尼擺；單片機；加速度傳感器

引言

電磁阻尼現(xiàn)象源于電磁感應(yīng)原理，宏觀現(xiàn)象即為當閉合導(dǎo)體與磁體發(fā)生相對作用時，兩者之間會產(chǎn)生電磁阻力，阻礙相對運動。這一現(xiàn)象可以用楞次定律解釋，即閉合導(dǎo)體與磁體發(fā)生切割磁感線的運動，由于閉合導(dǎo)體所穿透的磁通量發(fā)生變化，閉合導(dǎo)體會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這一電流產(chǎn)生的磁場會阻礙兩者的運動，其阻力大小正比于磁體的磁感應(yīng)強度和導(dǎo)體與磁體之間的相對運動速度。電磁阻尼現(xiàn)象廣泛運用于需要穩(wěn)定摩擦力以及制動力的場合，例如磁電式電表中安裝的使指針快速停下來的鋁框和電磁制動機械等[1]。

1 系統(tǒng)組成

為了能夠觀察金屬擺在電磁磁場中由于渦流的存在而受到安培力，搭建如圖1的電磁阻尼擺實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由單片機開發(fā)板、電磁鐵、鋁擺、角度測量傳感器和電源等組成。角度測量系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖2所示。

系統(tǒng)中磁場由吸盤式電磁鐵產(chǎn)生，電磁鐵型號為LS-P50/27，吸力可達500N，標稱功率8W，實測功率為8.4W，如圖1所示。試驗中長時間的電磁鐵表面溫度會升高。

2 角度解算

在將傳感器固定到金屬擺上時，使y軸的正向與地面垂直，x軸的正向與地面平行，z軸的方向由右手螺旋定則確定。

3 電磁阻尼試驗與數(shù)據(jù)處理

為了驗證導(dǎo)體在磁場中運動會受到電磁阻尼，故進行對比試驗。將實驗分為加載電磁阻尼和不加載電磁阻尼兩種。試驗時，令金屬擺的釋放角度一致，控制唯一變量即電磁阻尼而排除其他變量的干擾從而驗證唯一變量的作用。

由于安裝的系統(tǒng)支架的安裝誤差以及MPU6050傳感器的安裝誤差，導(dǎo)致在金屬擺處于靜止時的轉(zhuǎn)角非零。所以需要對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，系統(tǒng)中采用軟件的方法對初始誤差進行校正[3]，校正算法如公式（2）所示。

觀察圖3和圖4可以看出，兩次釋放的初始轉(zhuǎn)角均為78°，不加載電磁阻尼的金屬擺在擺動15次之后轉(zhuǎn)角的幅值才降到10°以下，加載電磁阻尼的金屬擺僅擺動6次之后轉(zhuǎn)角的幅值已降到10°以下，加載電磁阻尼的金屬擺很快在電磁阻尼的作用下停止擺動。

4 結(jié)束語

本實驗系統(tǒng)能夠正確反映當閉合導(dǎo)體與磁極發(fā)生相對運動時，兩者之間會產(chǎn)生電磁阻力，阻礙相對運動的現(xiàn)象[4]，而且本系統(tǒng)也是電子技術(shù)在物理試驗中的應(yīng)用，可以提高學(xué)生等群體對于電子技術(shù)和物理實驗的興趣，可以作為電磁阻尼現(xiàn)象的教學(xué)演示設(shè)備[5]。

參考文獻

[1]佚名.電磁阻尼擺[EB/OL].[2016-10-20].http：//www.pep.com.cn/gzwl/xszx/tswl/201009/t20100907_886101.htm.

[2]Christopher J.Fisher.Using an Accelerometer for Inclination Sensing[Z/OL].http：//www.analog.com/media/cn/technical-documentation/application-notes/AN-1057_cn.pdf

[3]張春飛，羅家融.軟件去除零點漂移的討論[J].計算機測量與控制，2004，12（7）：684-686.

[4]物理課程教材研究開發(fā)中心.物理（選修3-2）[M].北京：人民教育出版社，2006，26-29.

[5]錢小君.單片機控制的單擺實驗系統(tǒng)[J].物理實驗，2009，29（4）：30-32.

作者簡介：趙伊慧（1999-），女，漢族，海口中學(xué)高三2班。