電磁感應與磁懸浮實驗誤差來源分析及改進措施*

韓智超 劉艷峰

(延安大學物理與電子信息學院 陜西 延安 716000)

磁懸浮是一系列技術的統稱,包括借助磁力的方法懸浮、導引、驅動和控制等技術,其主要基本原理是電磁感應[1].隨著科學技術的不斷進步和人們對高速、高效、環保交通方式的追求,磁懸浮技術得到了廣泛的應用[2].電磁感應與磁懸浮實驗作為磁懸浮技術的基礎,其準確性和穩定性對磁懸浮技術的發展至關重要[3-4].在研究電磁感應與磁懸浮實驗的過程中,主要研究了導體在磁場中運動產生的磁牽引力、磁懸浮力等磁懸浮現象的規律,然后通過數據擬合得出經驗公式.本文從電磁感應與磁懸浮實驗中可能存在的誤差入手,發現在該實驗中存在的主要問題是當鋁盤在手動設定升速的實驗過程中,數字儀表的數顯不穩定,導致讀數不容易確定,給實驗操作過程帶來不便,同時也給實驗結果帶來較大的誤差.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字儀表記錄數字的過程進行了改進.

1 實驗裝置

電磁感應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

楞次定律表明感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流磁通量的變化[5],法拉第[7]于1831年發現,當一個導體處于變化的磁場中時,導體內部會產生感應電動勢,這個電動勢的大小與磁場的變化速率有關.具體來說,當一個導體(可以是一根導線、一個線圈或一個回路)被置于變化的磁場中時,磁場的變化會導致在導體內部產生電場.如果導體是一個回路,這個電場將會產生一定的電流,從而形成一個感應電動勢.法拉第電磁感應定律用公式表示為

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

3 誤差來源分析及改進措施

在該實驗中存在的主要問題是鋁盤在每次手動設定升速時,鋁盤和軸承轉速不穩定,導致了數字儀表的數顯不穩定,最終讀數不容易確定,給實驗操作過程帶來不便,也給實驗結果帶來較大的誤差.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.測量者手動設定升速的過程是個間斷的不連續的過程,所以導致鋁盤旋轉速度也是個非線性提升的過程,數顯儀表讀數很難穩定下來.在這種轉速提升模式下進行數據測量,每一次轉速提升都會有一個誤差的存在.

經過分析,減小誤差的主要辦法是穩定鋁盤和軸承的轉速,常規方法是通過足夠長的時間來穩定鋁盤和軸承的轉速,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,嚴重影響了實驗的進度;第二是即使耗時很多,該實驗受外界環境影響較大,最終數顯還是不能很好的穩定下來,讀數還是要人為的、主觀的去選擇數據進行記錄.為了從根本上解決這一問題,提出如下改進措施.

(1)先將鋁盤的轉速一次性提升至實驗儀器轉速設定上限即600 rpm;

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

(3)通過回放觀看手機視頻,記錄不同轉速對應的實驗數據,并且將視頻記錄的數據填入數據表格.

4 改進前后的測量數據及處理

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,測量了改進前和改進后鋁盤不同轉速下的磁牽引力、磁懸浮力.

(1)改進前后磁牽引力與鋁盤轉速關系的測量數據如表1和表2所示.

表1 改進前的磁牽引力與鋁盤轉速關系數據

表2 改進后的磁牽引力與鋁盤轉速關系數據

改進前測量數據不容易確定,所以讀數較少,改進后的方案記錄數據比較容易,所以數據較多,但不影響二者的定性和定量比較,將改進前后的測量數據利用Excel進行二項式擬合[7]數據處理,擬合結果如圖3所示.

由圖3可以明顯地看出,改進后的測量數據更加集中,線形更好,實驗數據擬合的函數圖像與數據散點更貼合,數據的離散度也比改進前的實驗數據要低.

圖3 改進前后磁牽引力與鋁盤轉速的關系圖對比

(2)改進前后磁懸浮力與鋁盤轉速關系的測量數據如表3和表4所示.

表3 改進前磁懸浮力與鋁盤轉速關系數據

表4 改進后磁懸浮力與鋁盤轉速關系數據表

改進前測量數據不容易確定,所以讀數較少,改進后的方案記錄數據比較容易,所以數據較多,但不影響二者的定性和定量比較,將改進前后的測量數據利用Excel進行二項式擬合數據處理,擬合結果如圖4所示.

圖4 改進前后磁懸浮力與鋁盤轉速的關系圖對比

由圖4可以明顯地看出,改進后的測量數據更加集中,線形更好,實驗數據擬合的函數圖像與數據散點更貼合,數據的離散度也比改進前的實驗數據要低.

5 結束語

本文結合智能手機的錄像功能,對實驗操作過程和數字儀表記錄數字的過程進行了改進.過去對鋁盤多次手動設定升速的過程中導致鋁盤轉速和軸承轉速不穩定,使得數顯儀讀數不穩不容易確定,針對這一問題提出了改進,具體就是一次性將鋁盤的轉速升到最高,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行錄像,最后通過回放錄像記錄數據.本文對改進前后的測量數據分別進行了多項式擬合處理并進行比對,發現改進后的實驗數據誤差更小,擬合方程曲線更貼近實驗數據點,線形更好.這表明對數據誤差的分析與針對誤差的改進措施是正確的,這一改進措施不僅提高了實驗的操作效率,也提高了測量數據的準確性.