一種新型磁力棋盤的工作原理

楊宏魁 關浩浩

摘 要：象棋和圍棋是我們中華民族幾千年來流傳下來的國粹，廣泛流行于各個年齡段的人群之間。說到下棋，自然離不開棋盤和棋子。傳統的棋盤和棋子結構簡單，使用方便，制作材料來源廣泛。但是棋子無法吸附至棋盤上，只能水平放置，無法滿足教學活動的需求。

關鍵詞：科技前沿;理論依據;研究內容

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.197

當前市場上出現的磁性棋盤和棋子，主要通過在棋盤和棋子內填充磁性物質來達到相互吸引的目的，通過巨大笨重的支架來達到使棋盤垂直放置的目的，這雖然在一定程度上滿足了教學活動的需要，但是也帶來一些新的問題。比如，棋盤和棋子內的磁體對人體和環境都有不同程度的影響，笨重的支架給給搬運和擺放帶來了不便。

1 科技前沿

國內外現有磁性棋盤都是使用磁鐵和磁體作棋子、棋盤，通過磁鐵對磁體的吸引來實現棋子在棋盤上的吸附。它們不同的地方在于磁鐵和磁體的選擇不同，棋子和棋盤誰用磁鐵誰用磁體不同。下面是兩種常見的棋盤類型：

第一種是棋盤當磁鐵，棋子當磁體型。它的棋盤內部填充有磁粉，棋子內部填充磁體。使用時，當棋子接觸棋盤時，兩者之間的磁力就會將棋子吸引在棋盤上。第二種是棋盤當磁體，棋子當磁鐵型。棋盤內部夾有磁體，棋子內部填充磁鐵。使用時，當棋子接觸棋盤時，兩者之間的磁力就會將棋子吸引在棋盤上。

同時國內外現有磁性棋盤都是通過支架來實現棋盤的垂直放置，以便方便講解，教學。但是這種方式依賴于笨重的支架，不便于搬運和擺放。

2 理論依據

從國內外現有狀況來看，現有的磁性棋盤都存在一些問題，比如內部磁性危害周圍物品（手機，電腦，身份證，銀行卡等）和環境，笨重的支架使用很不方便。可以預見磁性棋盤將來的發展一定是向更方便，更環保的方向發展。

本課題所研究的吸附式電磁鐵磁性棋盤基于電磁鐵原理，在棋盤內部裝入微型電磁鐵及線圈，通過控制流過線圈的電流來控制棋盤磁性的有無。同時在棋子內部填入磁性物質，來實現吸附的目的。在棋盤背部合理的嵌入吸盤，使用時可以很方便的將棋盤固定在平整壁面上。

這種棋盤減少了磁污染，使用時能方便的固定在平整壁面上，是一件環保，方便的新型棋盤。

3 研究內容

研究內容一：如何利用電磁鐵將棋子吸附到棋盤上。

（1）研究棋盤與棋子之間的摩擦情況，確定一個棋子吸附到棋盤上所需要的力的大小。將棋子置于傾角α的斜劈之上，通過多次實驗測棋子恰好能停在棋盤之上，時棋盤傾角α實驗結果如下表所示：

由上表得：取α=26°：于是，μmgcos26°=mgsin26°，故棋盤與棋子之間摩擦系數：?=0.509。

（2）研究電流與電磁鐵吸力大小之間的關系，確定流過每個電磁鐵電流的大小。磁場強度的計算公式：H = N × I / L式中：H為磁場強度，單位為A/m;N為線圈的匝數;L為有效磁路長度，I為電流（測量值）由上式可得出線圈電流與磁場強度的關系。磁力的大小可以用磁力庫侖定律來計算，F=m1*m2/（Kr^2），其中K為常數，R為磁極距離，m1為棋子內磁體磁感應強度，m2為棋盤磁場磁感應強度。

（3）研究電磁鐵在棋盤上的布置方式：根據查詢資料，工業上諸如此類以點帶面產生均勻場的源點布置方式主要有均勻布置和斜式布置兩種，現通過計算確定最優方案。

分別計算兩種分布的各點受力均值以及方差計入下表：

通過計算可以發現：在F相同的情況下，與均勻布置相比，斜式布置多用了175%的電磁鐵，但卻只比均勻布置多提供138%的吸力，而且兩者在均勻受力方面差別不大，從經濟角度考慮，應選擇均勻布置。

綜上：根據取安全系數K的值為2-3之間，即在電磁引力作用下棋盤于棋子產生的摩擦力等于K倍重力。然后據此根據棋子（內附磁體）的質量選定電磁鐵型號。

研究內容二：棋盤上部各個原件之間的合理連接。

（1）確定電源和電磁鐵之間的連接：整個產品以兩個薄木棋盤為外殼，在其木板上落棋子處挖出圓洞使電磁鐵卡在其中，使其在棋盤外產生磁場，對附著于其上的帶磁棋子產生引力，使其吸在棋盤之上。對內部兩塊之間的電磁鐵用并聯電路連接，并在邊界處通過變壓器將整個電路整理出一個以USB接口為充電入口的電源。

（2）確定各部件之間的固定方法：電磁鐵與棋盤之間通過過盈配合進行連接，并通過膠槍進行固定，上下兩板之間加裝木條，再用膠槍粘為一體，從側面邊緣處開口并固定電源。整體完成之后再給木板外裝上空氣吸盤，以便使用時吸附于豎直壁面之上。

4 結束語

本課題所研究的吸附式電磁鐵磁性棋盤基于電磁鐵原理，在棋盤表面固定上裝入微型電磁鐵及線圈，通過控制流過線圈的電流通斷來控制棋盤磁性的有無。并且在棋子內部填入磁性物質，來實現吸附的目的。同時在棋盤背部合理的嵌入吸盤，使用時可以很方便的將棋盤固定在平整壁面上。這種棋盤減少了磁污染，使用時能方便的固定在平整壁面上，是一件環保，方便的新型棋盤。

參考文獻：

[1]內蒙古工業大學物理系.大學物理（第一版）[M].內蒙古大學出版社，2002.

[2]趙凱華.電磁學（上、下冊）[M].人民教育出版社，1978（04）.

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