過(guò)山車(chē)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(chē)中的電磁制動(dòng)器如何工作的？掃描隧道顯微鏡（STM）如何有效隔離外界振動(dòng)對(duì)其的擾動(dòng)？靈敏電流計(jì)在運(yùn)輸過(guò)程中，為何在兩個(gè)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(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)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(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體，只要有感應(yīng)電流通過(guò)，就會(huì)存在電磁阻尼作用。

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

靈敏電流計(jì)搖動(dòng)后，讓指針有較大的擺動(dòng)幅度，停止搖動(dòng)后，發(fā)現(xiàn)指針要擺動(dòng)多次，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能停止下來(lái)。如果在兩個(gè)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(shí)擺動(dòng)的時(shí)間要短得多。這是由于與指針相連的線圈在磁場(chǎng)中擺動(dòng)時(shí)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(hù)的作用。故在搬動(dòng)或運(yùn)輸靈敏電流計(jì)過(guò)程中，應(yīng)在兩個(gè)接線柱上接上一根導(dǎo)線，避免電流計(jì)受到振動(dòng)指針振幅過(guò)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(lái)探測(cè)樣品表面原子尺度上的形貌。為了有效隔離外界振動(dòng)對(duì)其的擾動(dòng)，在圓底盤(pán)周邊沿其徑向?qū)ΨQ(chēng)地安裝若干對(duì)紫銅薄板，通過(guò)施加磁場(chǎng)來(lái)快速衰減其微小振動(dòng)。無(wú)擾動(dòng)時(shí)，對(duì)紫銅薄板施加恒定磁場(chǎng)。一旦出現(xiàn)擾動(dòng)，紫銅薄板上下或左右振動(dòng)產(chǎn)生渦電流，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總要阻礙紫銅薄板在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，從而使其快速穩(wěn)定下來(lái)。

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(dòng)力的場(chǎng)合，如電表、電磁制動(dòng)機(jī)械等。電氣列車(chē)中的電磁阻尼器在產(chǎn)生阻尼力的過(guò)程中，初級(jí)回路和次級(jí)回路沒(méi)有直接接觸，有噪聲小、維護(hù)方便、可靠性高、阻尼力可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛。例如高速列車(chē)（如動(dòng)車(chē)）、電車(chē)和磁懸浮列車(chē)等的制動(dòng)系統(tǒng)中電磁制動(dòng)器就是根據(jù)電磁阻尼原理制成的，像磁懸浮列車(chē)?yán)脺u電流達(dá)到減速目的。

游樂(lè)場(chǎng)中過(guò)山車(chē)的“磁力剎車(chē)裝置”，道理也一樣。在過(guò)山車(chē)兩側(cè)安裝銅片，停車(chē)區(qū)的軌道兩側(cè)安裝強(qiáng)力磁鐵，當(dāng)過(guò)山車(chē)進(jìn)入停車(chē)區(qū)的過(guò)程中兩側(cè)的銅片會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，銅片受到安培阻力使過(guò)山車(chē)減速，讓過(guò)山車(chē)能很快地停下。電磁緩速器是車(chē)輛上提高運(yùn)行安全性的輔助制動(dòng)裝置，其工作原理也是利用電磁阻尼作用減緩車(chē)輛的速度。

金屬處于變化的磁場(chǎng)中，金屬內(nèi)部將產(chǎn)生感應(yīng)電流渦流。渦流的磁場(chǎng)總是阻礙導(dǎo)體與原磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)導(dǎo)體與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流受到的安培力阻礙它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，利用安培力阻礙導(dǎo)體與磁場(chǎng)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就是電磁阻尼。反之，如果磁場(chǎng)相對(duì)于導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)，在導(dǎo)體中會(huì)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(yùn)動(dòng)起來(lái)，安培力是導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電磁驅(qū)動(dòng)。電磁驅(qū)動(dòng)在實(shí)際生活中的應(yīng)用也很廣泛，家庭中用的電能表，汽車(chē)上用的電磁式速度表（轉(zhuǎn)速表）、航母上飛機(jī)的電磁彈射以及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等，都是利用電磁驅(qū)動(dòng)原理制成的。

在電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象中，導(dǎo)體在安培力作用下的運(yùn)動(dòng)速度總要比磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度慢一些，原因是什么？原來(lái)在電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象中，安培力的作用效果是阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如果導(dǎo)體速度和磁場(chǎng)速度一樣，則兩者相對(duì)速度為零，便不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這時(shí)電磁驅(qū)動(dòng)作用就會(huì)消失，所以導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度要小于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（異步電動(dòng)機(jī)）就是依據(jù)該原理制成的。電磁驅(qū)動(dòng)作用可用來(lái)制造測(cè)量轉(zhuǎn)速的電表，這類(lèi)轉(zhuǎn)速表常稱(chēng)為磁性轉(zhuǎn)速表。

電磁驅(qū)動(dòng)具有動(dòng)能轉(zhuǎn)化機(jī)械磨損率低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)電磁驅(qū)動(dòng)作為一個(gè)零接觸的驅(qū)動(dòng)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(dòng)越來(lái)越被人們所重視，目前已經(jīng)運(yùn)用到各行各業(yè)，小到孩童時(shí)代的四驅(qū)車(chē)馬達(dá)，大到工業(yè)應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)裝置，如感應(yīng)電機(jī)、電磁驅(qū)動(dòng)棒、磁懸浮列車(chē)電磁驅(qū)動(dòng)器等。

下面讓我們來(lái)做小實(shí)驗(yàn)吧

[器材]

廢舊鋁鍋蓋、釹鐵硼磁鐵、棉線、手機(jī)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(guò)鋁片掛在手機(jī)支架上。磁鐵靠近鋁片左右擺動(dòng)（兩者并未接觸，磁鐵也不會(huì)吸引鋁片），發(fā)現(xiàn)鋁片跟著左右擺動(dòng)，只不過(guò)速度小于磁鐵速度。若先讓鋁片擺動(dòng)起來(lái)，當(dāng)磁鐵靠近鋁片時(shí)，發(fā)現(xiàn)鋁片很快停止擺動(dòng)。

2[電磁阻尼]

對(duì)比實(shí)驗(yàn)：各7 片磁鐵吸住螺母，用兩根長(zhǎng)度相同的棉線穿過(guò)螺母固定在支架上，一個(gè)靠近（只是靠近并未接觸，磁鐵也不會(huì)吸引鋁片）磁鐵下方放個(gè)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。