電磁驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與分析

1、哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- I -電磁驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與分析電磁驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與分析摘摘 要要隨著電磁驅(qū)動(dòng)的發(fā)展，電磁驅(qū)動(dòng)已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)在的各行各業(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，電磁驅(qū)動(dòng)越來(lái)越被人們所重視。電磁驅(qū)動(dòng)之所以被人們所關(guān)注，也是主要由于其動(dòng)能轉(zhuǎn)化的機(jī)械低磨損率，機(jī)械磨損率的降低，一方面可以有效地降低工業(yè)設(shè)備維護(hù)的成本，一方面也有效地控制動(dòng)能轉(zhuǎn)化的效率。而且電磁驅(qū)動(dòng)作為一個(gè)新能源，其低碳的理念也和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略緊扣。因此，電磁驅(qū)動(dòng)的發(fā)展是一個(gè)順應(yīng)潮流的趨勢(shì)。本文主要介紹了電動(dòng)機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，電磁學(xué)的發(fā)展歷程，進(jìn)而延伸到一些基本的電磁學(xué)現(xiàn)象，從而了解電磁驅(qū)動(dòng)器的工作

2、原理以及由電磁驅(qū)動(dòng)原理而來(lái)的一些技術(shù)應(yīng)用，最后制作一個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)演示儀用來(lái)進(jìn)行電磁驅(qū)動(dòng)相關(guān)的數(shù)據(jù)收集。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 電磁驅(qū)動(dòng)；感應(yīng)電機(jī)；電磁學(xué)哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- II -The design and analysis of electromagnetic actuatorAbstractAlong with the development of electromagnetic driving, electromagnetic drive has been applied to all walks of life. Four drive motors, the size of small

3、 to childhood, to the industrial application of actuating device, electromagnetic drive becomes more and more important for people.Electromagnetic drive have been attention by people, is mainly because of its kinetic energy into mechanical low wear rate, the rate of mechanical wear is reduced, on th

4、e one hand can effectively reduce the cost of industrial equipment maintenance, on the one hand, also effectively control the kinetic energy conversion efficiency. And electromagnetic drive as a new energy, its low carbon concept and strategy of sustainable development also closely. Therefore, the d

5、evelopment of electromagnetic drive is a suit the trend of the trend.Development present situation at home and abroad, this article mainly introduced the motor development of electromagnetism, which extends to some of the basic electromagnetic phenomenon, so as to understand the working principle of

6、 electromagnetic drive and driven by electromagnetic principle and some technical application, and finally make a electromagnetic drive demonstration instrument used for electromagnetic drive related data collection and analysis.Key words electromagnetic drive，Induction motor，electromagnetism哈爾濱理工大學(xué)

7、學(xué)士學(xué)位論文- III -目目 錄錄摘 要 .IAbstract .II第 1 章 緒論.11.1 引言.11.2 本文研究的內(nèi)容.11.3 研究的創(chuàng)新點(diǎn).11.4 本文篇章結(jié)構(gòu).2第 2 章 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.32.1 電磁學(xué)理論的發(fā)展.32.2 國(guó)內(nèi)外電磁驅(qū)動(dòng)的技術(shù)應(yīng)用.32.2.1 感應(yīng)電機(jī).32.2.2 電磁驅(qū)動(dòng)泵.42.2.3 磁懸浮列車(chē).4第 3 章 電磁驅(qū)動(dòng)器的分析.63.1 靜電場(chǎng).63.1.1 庫(kù)倫定律.63.1.2 電場(chǎng).63.2 磁場(chǎng).73.2.1 奧斯特實(shí)驗(yàn).83.2.2 安培環(huán)路定理.93.2.3 通電螺線管上的磁場(chǎng).93.2.4 載流線圈的磁場(chǎng).103.2.5 電磁感

8、應(yīng)現(xiàn)象.103.2.6 楞次定律.123.3 塞曼效應(yīng).133.3.1 正常塞曼效應(yīng).133.3.2 反常塞曼效應(yīng).143.4 電磁波.153.4.1 麥克斯韋方程組.153.4.2 平面電磁波.163.4.3 可見(jiàn)光(光波).173.5 電磁驅(qū)動(dòng)器工作過(guò)程的分析.193.5.1 物理原理.193.5.2 演示實(shí)驗(yàn)的物理現(xiàn)象.20第 4 章 電磁驅(qū)動(dòng)演示儀的制作.214.1 電磁驅(qū)動(dòng)演示儀前期調(diào)研.21哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- IV -4.2 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容.224.3 演示儀器的制作過(guò)程.224.4 創(chuàng)新設(shè)計(jì).224.5 存在的問(wèn)題及解決辦法.23結(jié)論.24致謝.25參考文獻(xiàn).26附錄.2

9、7附錄 A 電磁驅(qū)動(dòng)演示儀概述.27附錄 B 英文文獻(xiàn)翻譯.29哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 1 -第 1 章 緒論緒論1.1 引言隨著電磁驅(qū)動(dòng)的發(fā)展，電磁驅(qū)動(dòng)已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)在的各行各業(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，電磁驅(qū)動(dòng)越來(lái)越被人們所重視。電磁驅(qū)動(dòng)之所以被人們所關(guān)注，也是主要由于其動(dòng)能轉(zhuǎn)化的機(jī)械低磨損率，機(jī)械磨損率的降低，一方面可以有效地降低工業(yè)設(shè)備維護(hù)的成本，一方面也有效地控制動(dòng)能轉(zhuǎn)化的效率。而且電磁驅(qū)動(dòng)作為一個(gè)新能源，其低碳的理念也和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略緊扣。因此，電磁驅(qū)動(dòng)的發(fā)展是一個(gè)順應(yīng)潮流的趨勢(shì)。對(duì)于電磁驅(qū)動(dòng)的研究不在少數(shù)，很多人針對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)都做了相關(guān)的研究，包括電

10、磁線圈的溫度對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)的影響，電磁驅(qū)動(dòng)材料對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)的影響，以及電磁驅(qū)動(dòng)裝置的散熱解決方案等等。其中，周志廣在電磁驅(qū)動(dòng)器冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中提到“工作時(shí),驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)過(guò)高溫升會(huì)降低線圈的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣材料的絕緣性能,影響其使用壽命,甚至?xí)龤Ь€圈。因此，在電磁驅(qū)動(dòng)器研究過(guò)程中,必須關(guān)注驅(qū)動(dòng)線圈的冷卻問(wèn)題?！闭f(shuō)明了電磁驅(qū)動(dòng)線圈溫度的變化是會(huì)影響到電磁驅(qū)動(dòng)性能的，過(guò)高的溫度會(huì)降低線圈的機(jī)械強(qiáng)度，降低其使用壽命，我們需要探究的是線圈溫度的變化對(duì)于電磁驅(qū)動(dòng)器動(dòng)能轉(zhuǎn)化率的影響。另外，張琦也在連鑄空心管坯內(nèi)置磁場(chǎng)攪拌器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中提到“相比兩相繞組，采用三相繞組的電磁攪拌器能效更高；磁軛結(jié)構(gòu)對(duì)攪拌器的作用效

11、果影響顯著，為提高金屬液所受電磁力應(yīng)使磁軛的齒部尺寸盡量小些，但若尺寸太小會(huì)使磁軛飽和，影響磁軛的使用壽命；電流強(qiáng)度越大則金屬液內(nèi)的流速越大，電流強(qiáng)度與金屬液流速呈線性變化，而電流頻率與金屬液流速呈非線性變化，電流強(qiáng)度對(duì)金屬液流動(dòng)的影響要大于電流頻率?！闭f(shuō)明磁扼結(jié)構(gòu)的改變還會(huì)影響電磁驅(qū)動(dòng)的效率。1.2 本文研究的內(nèi)容為了了解影響電磁驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化效率的因素，從而進(jìn)行電磁驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，本文著重探究圓盤(pán)的材料變化（Al、Cu、Fe 等）或者圓盤(pán)與磁鐵間的距離變化以及磁鐵旋轉(zhuǎn)的速率變化對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)器動(dòng)能轉(zhuǎn)化率的影響。討論影響電磁驅(qū)動(dòng)器動(dòng)能轉(zhuǎn)化率的主要因素，探討如何減小各因素的影響，為電磁驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供理論

12、依據(jù)。1.3 研究的創(chuàng)新點(diǎn)電磁學(xué)是本科生學(xué)習(xí)中較為復(fù)雜的一門(mén)學(xué)科之一，電磁驅(qū)動(dòng)器作為電哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 2 -磁學(xué)理論發(fā)展中的一個(gè)產(chǎn)物，其工作原理也較難以理解，因此要對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)有著較大的難度。此次研究電磁驅(qū)動(dòng)器，采取了先分析再制作最后再分析的方法，即首先通過(guò)參考文獻(xiàn)、相關(guān)書(shū)籍等進(jìn)行電磁驅(qū)動(dòng)器工作原理的分析，再通過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)器的工作原理制作一個(gè)簡(jiǎn)易電磁驅(qū)動(dòng)演示儀，并利用其進(jìn)行所需數(shù)據(jù)的收集，最后再次分析利用電磁驅(qū)動(dòng)演示儀收集的數(shù)據(jù)最終了解影響電磁驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)化效率的因素，并為電磁驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供了充足的理論依據(jù)。1.4 本文篇章結(jié)構(gòu)本文篇章結(jié)構(gòu)如下：在下文章節(jié)二中，將介紹國(guó)

13、內(nèi)外電磁驅(qū)動(dòng)器研究現(xiàn)狀，包括電磁學(xué)理論的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外電磁驅(qū)動(dòng)原理的技術(shù)應(yīng)用以及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀。在章節(jié)三中，將詳細(xì)介紹電磁學(xué)的一些基本理論和著名的電磁學(xué)定律以及電磁驅(qū)動(dòng)器的工作原理并結(jié)合電磁學(xué)的基本定律對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)器的工作原理加以分析。在章節(jié)四中，將介紹電磁驅(qū)動(dòng)演示儀的制作流程并利用其做一系列的相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，最后結(jié)合電磁學(xué)定律對(duì)收集到的數(shù)據(jù)加以分析。文章的最后是參考文獻(xiàn)和附錄。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 3 -第 2 章 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1 電磁學(xué)理論的發(fā)展19 世紀(jì)是科學(xué)時(shí)代的開(kāi)始。在天文學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家們開(kāi)始論及太陽(yáng)系的起源和演化。在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域，英國(guó)的地質(zhì)學(xué)家賴(lài)爾

14、提出地質(zhì)漸變理論。在生物學(xué)領(lǐng)域，細(xì)胞學(xué)說(shuō)、生物進(jìn)化論，孟德?tīng)柕倪z傳規(guī)律相繼被發(fā)現(xiàn)。在化學(xué)領(lǐng)域，原子-分子論被科學(xué)肯定；拉瓦錫推翻了燃素說(shuō)，并成為發(fā)現(xiàn)質(zhì)量守恒定律的第一人； 1869 年，俄國(guó)化學(xué)家門(mén)捷列夫發(fā)表了元素周期律的圖表和元素屬性和原子量的關(guān)系的論文。在文中，門(mén)捷列夫預(yù)言了十一種未知元素的存在，并在以后被一一證實(shí)。十九世紀(jì)最重大的科學(xué)成就是電磁學(xué)理論的建立和發(fā)展。在 19 世紀(jì)之前，人們基本上認(rèn)為電與磁是兩種不同現(xiàn)象，但人們也發(fā)現(xiàn)兩者之間可能會(huì)存在某種聯(lián)系，因?yàn)樗謧儾恢挂淮慰吹剑蚶讜r(shí)羅盤(pán)上的磁針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。1820 年 7 月，丹麥教授奧斯特通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電與磁的相互作用，他指出磁針

15、的指向同電流的方向有關(guān)。這說(shuō)明自然界除了沿物體中心線起作用的力以外，還存在著旋轉(zhuǎn)力，而這種旋轉(zhuǎn)力是牛頓力學(xué)所無(wú)法解釋的，這樣，一門(mén)新學(xué)科電磁學(xué)誕生了。奧斯特的發(fā)現(xiàn)震動(dòng)了物理學(xué)界，科學(xué)家們紛紛做各種實(shí)驗(yàn)，力求搞清電與磁的關(guān)系。法國(guó)的安培提出了電動(dòng)力學(xué)理論。英國(guó)化學(xué)家、物理學(xué)家法拉第于 1831 年總結(jié)出電磁感應(yīng)定律，1845 年他還發(fā)現(xiàn)了“磁光效應(yīng)”，播下了電、磁、光統(tǒng)一理論的種子。但法拉弟的學(xué)說(shuō)都是用直觀的形式表達(dá)的，缺少精確的數(shù)學(xué)語(yǔ)言。后來(lái)，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋克服了這一缺點(diǎn)，他于 1865 年根據(jù)庫(kù)侖定律、安培力公式、電磁感應(yīng)定律等經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，運(yùn)用矢量分析的數(shù)學(xué)手段，提出了真空中的電磁場(chǎng)方程

16、。以后，麥克斯韋又推導(dǎo)出電磁場(chǎng)的波動(dòng)方程，還從波動(dòng)方程中推論出電磁波的傳播速度剛好等于光速，并預(yù)言光也是一種電磁波。這就把電、磁、光統(tǒng)一起來(lái)了，這是繼牛頓力學(xué)以后又一次對(duì)自然規(guī)律的理論性概括和綜合。2.2 國(guó)內(nèi)外電磁驅(qū)動(dòng)的技術(shù)應(yīng)用隨著電磁學(xué)的理論發(fā)展，以及全球的能源危機(jī)意識(shí)，電磁驅(qū)動(dòng)漸漸為人們所重視，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)存在許多應(yīng)用電磁驅(qū)動(dòng)原理技術(shù)的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)裝置。2.2.1 感應(yīng)電機(jī)感應(yīng)電機(jī)（Induction Motor）定轉(zhuǎn)子之間靠電磁感應(yīng)作用，在轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)電流以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)一般用作電動(dòng)機(jī)。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 4 -感應(yīng)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，價(jià)格便宜，運(yùn)行方

17、便；缺點(diǎn)是功率因數(shù)滯后，輕載功率因數(shù)低，調(diào)速性能稍差。感應(yīng)電機(jī)是異步電機(jī)的一種，由于異步電機(jī)主要是感應(yīng)電機(jī)，所以也有人直接在定義時(shí)候?qū)惒诫姍C(jī)定義為感應(yīng)電機(jī)。但異步電機(jī)不僅包括感應(yīng)電機(jī)還包括雙饋異步電機(jī)和交流換向器電機(jī)。2.2.2 電磁驅(qū)動(dòng)泵在電動(dòng)機(jī)或柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的往復(fù)式泵中，由于電動(dòng)機(jī)或柴油機(jī)均為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為了將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在泵的傳動(dòng)部分均需要有一套運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，常用的有：曲柄連桿機(jī)構(gòu)、偏心凸輪機(jī)構(gòu)等。由于這類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也就使往復(fù)式泵的體積增大、易損件數(shù)量多，生產(chǎn)成本增加，并需要較高的制造精度，這在很大程度上限制了往復(fù)泵的適用范圍。泵的組成可簡(jiǎn)單地分為三大部分：驅(qū)

18、動(dòng)電源液力端和電磁線圈。泵的工作原理為：電磁線圈通電后產(chǎn)生電磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)通過(guò)泵外殼與銜鐵（銜鐵同時(shí)又起柱塞的作用）產(chǎn)生電磁回路，在泵的排出行程時(shí)，電磁回路是逐步封閉，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。由于銜鐵與外殼端面之間存在間隙，使得銜鐵與端面產(chǎn)生電磁力，從而使兩者吸合，吸合的過(guò)程也就是泵的排出過(guò)程。當(dāng)電源斷開(kāi)后，彈簧的彈力使銜鐵復(fù)位，此過(guò)程為泵的吸入過(guò)程。由于此泵的電源為脈沖電源，電磁線圈的連續(xù)通電和斷電，就會(huì)使銜鐵在泵中帶動(dòng)柱塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 5 -2.2.3 磁懸浮列車(chē)在電磁學(xué)中當(dāng)通給兩個(gè)相互平行的線圈相互平行的電流時(shí)就相互吸引，圖 2-1 磁懸浮列車(chē)電流方向相反時(shí)就互

19、相排斥，系懸浮列車(chē)就是將通有方向相反的線圈來(lái)減小阻力達(dá)到提高速度效果的。將不同方向線圈裝在軌道和列車(chē)上，列車(chē)就會(huì)懸浮起來(lái)，同樣，在列車(chē)和軌道的適當(dāng)位置分別安裝許多對(duì)電流方向相同的線圈，由于互相吸引，就能使列車(chē)前進(jìn)。磁懸浮列車(chē)就是根據(jù)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的電磁學(xué)原理設(shè)計(jì)而成的。下圖就是形式中的磁懸浮列車(chē)：如圖 2-1，磁懸浮列車(chē)是目前世界上技術(shù)最先進(jìn)并且己經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段的新型列車(chē)，與普通高速列車(chē)相比具有許多優(yōu)越性：第一，速度比普通列車(chē)高很多，度速可達(dá) 500km/h 以上，而且預(yù)想在真空隧道中運(yùn)行的磁懸浮列車(chē)速度可達(dá)到 1600km/h。第二，消耗能量較低。原因主要就在于它是懸浮著，只存在與空氣間的摩擦

20、。而且因無(wú)輪軌接觸，震動(dòng)較小，舒適性好。第三，噪音很低，（只有當(dāng)速度達(dá)到 200km/h 以上時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生與空氣摩擦的輕微噪音）。第四，安全系數(shù)高。它的車(chē)廂下端像伸出了兩排彎曲的胳膊，將路軌緊緊摟住，絕對(duì)不可能出軌。列車(chē)運(yùn)行的動(dòng)力來(lái)自固定在路軌兩則的電磁流，同一區(qū)域內(nèi)的電磁流強(qiáng)度相同，不可能出現(xiàn)幾輛列車(chē)速度不同或相向而動(dòng)的現(xiàn)象，從而排除了列車(chē)追尾或相撞的可能。列車(chē)的整個(gè)安全系統(tǒng)可以相互檢測(cè)，自動(dòng)替補(bǔ)，這在其它交通工具是不具備的，因而它是一種高安全度的交通工具。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 6 -盡管磁懸浮列車(chē)技術(shù)有上述的許多優(yōu)點(diǎn)，但仍然存在一些不足：特別是斷電后的安全保障和制動(dòng)問(wèn)題。其高速穩(wěn)定

21、性和可靠性還需很長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行考驗(yàn)。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 7 -第 3 章 電磁驅(qū)動(dòng)器的分析電磁驅(qū)動(dòng)器的分析3.1 靜電場(chǎng)欲從電學(xué)中找到電磁學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，首先我們得先從電現(xiàn)象入手，找到電學(xué)中動(dòng)力學(xué)關(guān)系和磁動(dòng)力關(guān)系就不難知道電與磁之間存在著怎么的關(guān)系。3.1.1 庫(kù)倫定律讓我們認(rèn)識(shí)一下庫(kù)倫定律，了解兩點(diǎn)電荷之間的關(guān)系，如圖 3-1 庫(kù)侖定律：圖 3-1 庫(kù)侖定律是電磁場(chǎng)理論的基本定律之一。真空中兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷之間的作用力與這兩個(gè)電荷所帶電量的乘積成正比，和它們距離的平方成反比，作用力的方向沿著這兩個(gè)點(diǎn)電荷的連線,同名電荷相斥，異名電荷相吸。公式： （3-2*( 1* 2)/Fkqqr1）

22、其中 F 是兩點(diǎn)電荷之間所受的庫(kù)倫力，k 是比例常數(shù)，q1、q2 分別代表兩點(diǎn)電荷所帶的電荷量，r 是兩點(diǎn)電荷的距離。3.1.2 電場(chǎng)在很多沒(méi)有直接接觸的力現(xiàn)象中力的相互作用需要有介質(zhì)的存在，例如馬拉車(chē)，馬能拉動(dòng)車(chē)肯定少不了繩子的存在，只有將馬和馬車(chē)栓在一起才能使馬在奔跑中帶動(dòng)馬車(chē)。再如聲音的傳播，我們聊天時(shí)雖然對(duì)方并沒(méi)有將聲帶直接貼在我們的耳朵上，但我們能聽(tīng)到對(duì)方的聲音，這是因?yàn)橛锌諝饨橘|(zhì)的存在。加入我們生活的空間沒(méi)有空氣的存在，那么所謂的聊天只能看到對(duì)方嘴唇的動(dòng)作，并不能聽(tīng)到聲音但剛才說(shuō)過(guò)的例子中q1、q2 明顯沒(méi)有直接接觸，又似乎沒(méi)有介質(zhì)的存在，那么 q1、q2 之間存在的庫(kù)倫力又是怎樣

23、傳遞的呢？歷史上對(duì)這個(gè)問(wèn)題有很多爭(zhēng)論，一類(lèi)人認(rèn)為哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 8 -這種力并不需要介質(zhì)的存在就可以之間傳遞，甚至更不需要時(shí)間，不受時(shí)間的限制，力的作用就能從一個(gè)物體直接傳遞到另一個(gè)物體上。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為空間中存在著科學(xué)家還未發(fā)現(xiàn)的彈性物質(zhì)“以太”，電場(chǎng)力就是通過(guò)“以太”來(lái)傳遞的。這些觀點(diǎn)都被近代物理學(xué)家所否認(rèn)并引入電場(chǎng)。而且還將點(diǎn)電荷在電場(chǎng)中受到的力 F 與電荷量 q0 的比值稱(chēng)為電場(chǎng)強(qiáng)度，用字母 E 來(lái)表示： （3-0/EF q2）如圖 3-2，以下是幾種電荷模型的電場(chǎng)分布：正點(diǎn)電荷 負(fù)點(diǎn)電荷等量異種電荷圖 3-2 電荷模型電場(chǎng)分布3.2 磁場(chǎng)如圖 3-3，我們現(xiàn)在先來(lái)看看以

24、下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 9 -圖 3-3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象本實(shí)驗(yàn)的原理圖如上圖所示，其中深黑色的直導(dǎo)線是原來(lái)的導(dǎo)線，就是還沒(méi)通電時(shí)的導(dǎo)線，灰色的導(dǎo)線是通有電流后導(dǎo)線原導(dǎo)線移動(dòng)的位置。如上圖，在導(dǎo)線中通有電流大小為 I 的電流，這樣導(dǎo)線的位置就會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)電流的方向時(shí)導(dǎo)線互相吸引，電流方向相反時(shí)導(dǎo)線互相排斥，牛頓第二定律告訴我們，當(dāng)物體狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)肯定要受到外力的作用，導(dǎo)線從原來(lái)的靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，使得導(dǎo)線的形狀發(fā)生改變，這說(shuō)明導(dǎo)線受到力的作用，問(wèn)題就產(chǎn)生了，導(dǎo)線明顯受到了力的作用，那通電導(dǎo)線中相互間的作用力從何而來(lái)？以下將對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)易的解釋。3.2.1 奧斯特實(shí)驗(yàn)庫(kù)倫定律說(shuō)

25、明了兩點(diǎn)電荷之間存在著相互作用，在這基礎(chǔ)上物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)帶電物體接觸磁場(chǎng)時(shí)也能產(chǎn)生力的作用，說(shuō)到這就少不了說(shuō)奧斯特實(shí)驗(yàn)了，奧斯特實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了通電導(dǎo)線與磁性物質(zhì)之間存在著力的作用，奧斯特是丹麥的科學(xué)家，他在 1820 年 4 月的一節(jié)課中，他講授了電與磁的課程，他做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)中無(wú)意發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象：通電鉑絲擾動(dòng)玻璃罩內(nèi)的指南針，雖然效應(yīng)很弱，看上去也很不規(guī)則，但奧斯特卻對(duì)這種無(wú)意間發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象產(chǎn)生濃厚的興趣，在課后他進(jìn)行了大量的電池反復(fù)做了同樣的實(shí)驗(yàn)對(duì)自己的假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證。奧斯特在做實(shí)驗(yàn)時(shí)還在磁針與導(dǎo)線間放入玻璃、金屬、木頭等物質(zhì)，然而磁針的偏轉(zhuǎn)并不因此減弱或者消失8。他的實(shí)驗(yàn)可以如下概述：導(dǎo)線中通有大

26、小為 I 的電流，在導(dǎo)線旁放一個(gè)小磁針，眾所周知磁針在地磁場(chǎng)的作用下沿南北取向，但磁針在電流的作用下會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明磁針與導(dǎo)線間存在著力的作用。當(dāng)斷開(kāi)電源時(shí)磁針重新南北指向，這個(gè)實(shí)驗(yàn)中的單一變量是導(dǎo)體是否通電，這樣我們就能很明確的得到一個(gè)結(jié)論：通電導(dǎo)體對(duì)磁性物質(zhì)有力的作用。這樣就能說(shuō)明通電導(dǎo)體不僅能產(chǎn)生電場(chǎng)，它也能產(chǎn)磁性質(zhì)，并又此產(chǎn)生的磁場(chǎng)使奧斯特實(shí)驗(yàn)中的磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 10 -也像電荷一樣奧斯特實(shí)驗(yàn)中通電導(dǎo)線和磁針之間并沒(méi)有直接的接觸，他們之間又是以什么形式傳遞力的作用呢？與電荷之間的作用力一樣，磁性物質(zhì)周?chē)泊嬖趫?chǎng)的性質(zhì)，所以物理學(xué)家引入的磁場(chǎng)的概念，并以字母B

27、 代表磁場(chǎng)強(qiáng)度。這樣就不難解釋圖二所示實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的現(xiàn)象，通電導(dǎo)線能產(chǎn)生磁場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)中兩導(dǎo)線所通電流方向相同時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)使得兩導(dǎo)線互相吸引，相反當(dāng)電流的方向相反時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)使得兩導(dǎo)線互相排斥，圖二中的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)就是因?yàn)閷?dǎo)線通的電流相同導(dǎo)線互相吸引，最后出現(xiàn)的現(xiàn)象必然是兩導(dǎo)線同時(shí)向內(nèi)彎曲，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)磁場(chǎng)間的相互作用使得導(dǎo)向向外彎曲！3.2.2 安培環(huán)路定理由奧斯特實(shí)驗(yàn)得到了驚人的結(jié)論，那么通電導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)又是怎樣的呢？這個(gè)問(wèn)題我們讓安培我們解答：安培知道奧斯特的發(fā)現(xiàn)時(shí)非常驚訝，他注意到了這個(gè)發(fā)現(xiàn)的重要性，立刻對(duì)電流間的作用進(jìn)行了精密的研究，他發(fā)現(xiàn)圖 3-3 所示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，他便由此猜想到所有的磁性都

28、能用電流置換。隨后安培便花了大量的時(shí)間研究導(dǎo)體中電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)的性質(zhì)。這里我們?nèi)『?jiǎn)單的一個(gè)種模型（通電直導(dǎo)線）為例，許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)了通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)如圖。圖 3-4 安培環(huán)路定理如圖 3-4 就是安培環(huán)路定理，磁場(chǎng)的方向應(yīng)服從右手螺旋定則：手握導(dǎo)線，大拇指指向電流方向，那么其余四個(gè)手指的環(huán)繞方向就是磁場(chǎng)的方向，而且在這種簡(jiǎn)單的模型中產(chǎn)生磁場(chǎng)的強(qiáng)度還滿(mǎn)足公式： （3-002 rIB3）哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 11 -3.2.3 通電螺線管上的磁場(chǎng)現(xiàn)在我們來(lái)討論一下通電螺線管，我記得初中我們學(xué)到電磁感應(yīng)現(xiàn)象的時(shí)候就是通過(guò)通電螺線管來(lái)說(shuō)明的，下圖就是一個(gè)通電螺線管：圖 3-5 通電螺線管上的

29、磁場(chǎng)根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的原理，我們不難理解通電螺線管周?chē)鷷?huì)有磁場(chǎng)的存在，如圖 3-5 在軟鐵上繞有導(dǎo)線，并在導(dǎo)線中通有電流大小為 I 的電流，在螺線管中磁場(chǎng)的方向同樣服從右手定則，將右手的四個(gè)手指彎曲并指向電流環(huán)繞的方向，那樣大拇指所指向的方向就是磁場(chǎng)的方向。當(dāng)然在這種情況中如果要求場(chǎng)強(qiáng)的大小還需知道軟鐵的性質(zhì)，本文不在這里做解釋。3.2.4 載流線圈的磁場(chǎng)下面我們來(lái)看看通電線圈中磁場(chǎng)的方向是如何的，下面是通電導(dǎo)線圈的模型：圖 3-6 載流線圈的磁場(chǎng)如圖 3-6，導(dǎo)線圈中通有電流的大小為 I，這種模型服從右手螺旋定則，將右手的四只手指指向電流方向沿線圈環(huán)繞，右手大拇指伸直，大拇指指向的方向就是磁

30、場(chǎng)的方向，上圖模型的磁場(chǎng)方向如上圖所示。這種情可以當(dāng)做簡(jiǎn)單的通電螺線管來(lái)理解，通電螺線管中線圈的匝數(shù)較多，而本模型中可以認(rèn)為是線圈匝數(shù)為一的通電螺線管。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 12 -3.2.5 電磁感應(yīng)現(xiàn)象上述內(nèi)容能很清楚的知道通電導(dǎo)體能產(chǎn)生磁場(chǎng)，我們能不能根據(jù)以上結(jié)論做一個(gè)假設(shè)呢？我們假設(shè)磁場(chǎng)也可能產(chǎn)生電流或者電動(dòng)勢(shì)。帶著這個(gè)問(wèn)題我們?cè)L問(wèn)法拉第任何認(rèn)識(shí)這個(gè)問(wèn)題的。法拉第是英國(guó)著名的物理學(xué)家和化學(xué)家。他發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，這在物理學(xué)上起著很重要的作用。電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指放在變化磁通量中的導(dǎo)體，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。此電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或者感生電動(dòng)勢(shì)，若將此導(dǎo)體閉合成一回路，則該電動(dòng)勢(shì)會(huì)驅(qū)使電子

31、流動(dòng)，形成感應(yīng)電流（感生電流）。電磁感應(yīng)現(xiàn)象不止揭示了電與磁的內(nèi)在聯(lián)系，而且為電與磁之間的相互轉(zhuǎn)化奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。以下為感生電動(dòng)勢(shì)的普適公式。 （3-4）/Ent 其中 E 代表的是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，n 是螺線管的匝數(shù)，是磁通量的改變量，是時(shí)間的改變量。其中螺線管中的電流方向我們可以根據(jù)右手螺旋t定則將其判斷出來(lái)：將右手握住螺線管并使得右手的大拇指向磁場(chǎng)的方向，那么四肢手指環(huán)繞的方向就是電流的流向。電磁感應(yīng)現(xiàn)象告訴我們變化磁場(chǎng)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，坦若我們所選擇的導(dǎo)體是一個(gè)閉合回路，所產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向又該是如何呢？讓我們做一下這個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理圖如下圖所示：圖 3-7 示意圖其中 ABCD

32、是閉合回路，AB 間接有一個(gè)靈敏電流表，CD 是靈活邊，并以（可變化）的速度向右運(yùn)動(dòng)，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向大小也如圖所示。0V0V當(dāng)=0 的時(shí)候靈敏電流表沒(méi)有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)不等于 0 的時(shí)候電流表發(fā)生0V0V偏轉(zhuǎn)，即在閉合線圈 ABCD 中產(chǎn)生感應(yīng)電流。CD 邊滑動(dòng)得越快，靈敏電流表的偏轉(zhuǎn)角度也越大，即感應(yīng)電流越大。當(dāng) CD 邊朝反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流的方向也相反。大量的實(shí)驗(yàn)同樣驗(yàn)證著導(dǎo)線切割磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向必服從左手定則，將左手?jǐn)傞_(kāi)大拇指指著導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)方向，讓磁感哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 13 -線穿過(guò)手心，四個(gè)手指所指的方向就是感應(yīng)電流的方向。前面我們所接觸到的式 3-2 是在特殊情況下

33、才能適用，但在一般情況下必須使用普適方程： (3-5)sSdBdtd-3.2.6 楞次定律說(shuō)到感應(yīng)電流的方向就少不了介紹楞次定律的介紹：圖 3-8 楞次定律如圖 3-8，是把磁棒的 N 極插入線圈和從線圈中拔出的實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向也標(biāo)在圖中。作圖所示是將磁棒插入線圈的情況，磁棒的感應(yīng)線方向朝下，很明顯的當(dāng)磁棒插入過(guò)程中的向下的磁通量增加。根據(jù)右手定則可知，這時(shí)感應(yīng)電流所激發(fā)的磁場(chǎng)方向朝上，其作用相當(dāng)于阻礙磁通量的增加。在右圖所示的 N 極拔出的情況中，穿過(guò)線圈向下的磁通量明顯減少，而這時(shí)感應(yīng)電流所激發(fā)的磁場(chǎng)的方向是向下的，其作用相當(dāng)于阻礙磁通量的減少，在其他實(shí)驗(yàn)中也可以發(fā)現(xiàn)這樣

34、的規(guī)律，所以我們可以得到這樣的結(jié)論：閉合回路中的感應(yīng)電流的方向，總是使得它所激發(fā)的磁場(chǎng)來(lái)阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。這個(gè)結(jié)論叫做楞次定律。在以上導(dǎo)體切割磁感線的實(shí)驗(yàn)中，我們也能用楞次定律來(lái)判斷出感應(yīng)電流的方向。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 14 -圖 3-9 楞次運(yùn)動(dòng)如圖 3-9，當(dāng) CD 的速度=0 時(shí)，由于磁場(chǎng)是一定的，所以這種情況0V下沒(méi)有磁通量的變化，這樣靈敏電流表自然不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因?yàn)闆](méi)有感應(yīng)電流的產(chǎn)生，不等于 0 卻 CD 向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，閉合回路中垂直紙面向上的0V磁通量不斷增加，根據(jù)楞次定律閉合回路 ABCD 所產(chǎn)生的感應(yīng)電流必然要激發(fā)垂直紙面向里的磁通量來(lái)阻礙磁通量的變化，這

35、與左手定則相吻合。同樣，當(dāng) CD 向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，垂直紙面向外的磁通量不斷減少，由此產(chǎn)生的感應(yīng)電流也激發(fā)垂直紙面向里的磁通量來(lái)阻礙磁通量的變化。3.3 塞曼效應(yīng)3.3.1 正常塞曼效應(yīng)圖 3-10 塞曼效應(yīng)電子的發(fā)現(xiàn)，使電磁學(xué)和原子與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論結(jié)合了起來(lái)，洛倫慈的電子論把物質(zhì)的宏觀電磁性質(zhì)歸結(jié)為原子中電子的效應(yīng)，統(tǒng)一地解釋了電、磁、光現(xiàn)象。洛倫茲認(rèn)為電具有“原子性”，電的本身是由微小的實(shí)體組成的，后來(lái)這些微小的實(shí)體被稱(chēng)為電子，他以電子的概念為基礎(chǔ)來(lái)解釋物質(zhì)的電性質(zhì)，從電子論推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中要受到力的作用，既洛倫茲力。他把物體的發(fā)光解釋成原子內(nèi)部電子的震動(dòng)產(chǎn)生的，所以當(dāng)光源放在磁場(chǎng)中時(shí)，光

36、源的原子內(nèi)電子的震動(dòng)將發(fā)生改變，使得電子的震動(dòng)頻率增大或者減小，導(dǎo)致光譜線的增寬或分裂，之后洛倫茲的學(xué)生塞曼發(fā)現(xiàn)了塞曼效應(yīng)，證實(shí)了洛倫茲的預(yù)言，塞曼與洛倫茲共同獲得 1902 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。塞曼效應(yīng)是指磁場(chǎng)中的光源發(fā)出的光譜線分裂成幾條譜線的現(xiàn)象。這哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 15 -種現(xiàn)象就是光源中的電子與磁場(chǎng)發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的現(xiàn)象，塞曼效應(yīng)可分為正常與非正常塞曼效應(yīng)，本文簡(jiǎn)單介紹一下正常塞曼效應(yīng)，它指的是光源中一條譜線在外磁場(chǎng)的作用下一分為三，彼此間隔相等。而這種現(xiàn)象只能再原子中電子數(shù)目為偶數(shù)并形成獨(dú)態(tài)的原子時(shí)，才能有正常的塞曼效應(yīng)。在這里本文用鎘原子為例，鎘的 643.847n

37、m 譜線是躍遷的結(jié)果，1121PD 這里共有九個(gè)躍遷，鎘原子正常塞曼效應(yīng)的原子中的電子躍遷如下圖：如圖 3-10，塞曼得到了鎘原子的三條正常塞曼效應(yīng)的譜線。 （3-6）BBBB0hh這比表明了當(dāng)一條譜線在磁場(chǎng)的作用下分裂成三條譜線，譜線間的間隔相等，而已這個(gè)間隔等于時(shí)的現(xiàn)象稱(chēng)為塞曼效應(yīng)。BB3.3.2 反常塞曼效應(yīng)1897 年 12 月，普雷斯頓報(bào)告說(shuō)，在很多實(shí)驗(yàn)實(shí)例中，塞曼分裂的數(shù)目可以不是三個(gè)，數(shù)目也不盡相同。在以后近三十年內(nèi)，雖經(jīng)許多人的嘗試但一直未能得到很合理的解釋?zhuān)瑥亩环Q(chēng)為反常塞曼效應(yīng)。后來(lái)這些疑問(wèn)在電子自旋假設(shè)的提出后迎刃而解。圖 3-11 鈉原子的反常塞曼效應(yīng)我們現(xiàn)在來(lái)分析一下

38、鈉主線的塞曼分裂，鈉是單電子體系，所以對(duì)原哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 16 -子磁矩產(chǎn)生主要貢獻(xiàn)的是單個(gè)電子，黃色雙線是2P1/2，3/2 2S1/2之間躍遷的結(jié)果,這就是一種反常塞曼效應(yīng)的結(jié)果。上圖為鈉原子在磁場(chǎng)中的反常塞曼效應(yīng)的譜線分裂圖，分裂譜線相應(yīng)的頻率為 （3-Lgmgm了（)(11227） （3-Lgmgm)(1122 8）我們可以從圖 3-11 中看出：鈉 D 線中的 5896nm 譜線分裂成四條而不是三條，而且兩相臨譜線的間距是不一樣的。589nm 那條譜線分列成六條，這六條譜線的間距倒是一樣的。這兩種分裂在原來(lái)譜線的位置上不再出現(xiàn)譜線，這些情況不像正常塞曼效應(yīng)所描述的。3.

39、4 電磁波電與磁的關(guān)系已經(jīng)在上述文章中得到了充分的確立，撲嗍迷離的電磁學(xué)使得眾多物理學(xué)家對(duì)電與磁之間的關(guān)系產(chǎn)生了極大的興趣，他們也為物理學(xué)做出了杰出的貢獻(xiàn)。電磁學(xué)從原來(lái)的兩門(mén)相互獨(dú)立的兩門(mén)科學(xué)（電學(xué)和磁學(xué)）發(fā)展成為物理學(xué)中一個(gè)完整的分支學(xué)科，主要是基于兩個(gè)重要的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即電流的磁效應(yīng)和變化磁場(chǎng)的電效應(yīng)。這兩個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)象加上麥克斯韋關(guān)于變化電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的假設(shè)，奠定了電磁學(xué)的整個(gè)理論體系，發(fā)展了對(duì)現(xiàn)代文明氣重大影響的電工和電子技術(shù)。但是電磁學(xué)的規(guī)律并非到這里就結(jié)束了，本節(jié)說(shuō)道麥克斯韋公式的時(shí)候也簡(jiǎn)單的提到了電磁波，以下將對(duì)電磁波進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明。3.4.1 麥克斯韋方程組同時(shí)磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象的這種緊密

40、緊密聯(lián)系在一起關(guān)系不止以上想象在說(shuō)明著，這種關(guān)系也可以從麥克斯韋方程中就能看出：麥克斯韋的渦旋電場(chǎng)和位移電流假說(shuō)的核心思想是：變化的電場(chǎng)可以激發(fā)渦旋磁場(chǎng)；電場(chǎng)和磁場(chǎng)不是彼此孤立的，他們相互聯(lián)系相互激發(fā)組成一個(gè)統(tǒng)一的電磁場(chǎng)。麥克斯韋進(jìn)一步將電場(chǎng)和磁場(chǎng)的所有規(guī)律綜合起來(lái)，建立了完整的電磁場(chǎng)理論體系。這個(gè)理論體系就是所謂的麥克斯韋方程組。這樣電磁現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的關(guān)系變得更難區(qū)分開(kāi)來(lái)。麥克斯韋電磁理論的重大意義，不僅在與這個(gè)理論支配著一切宏觀電磁現(xiàn)象（包括靜電、穩(wěn)恒磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)、電路、電磁波等等），而且在與它將光學(xué)現(xiàn)象統(tǒng)一在這個(gè)論論框架之內(nèi)，深刻地影響著人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的思想。麥克斯韋方程組在電磁學(xué)中

41、的地位如同牛頓運(yùn)動(dòng)定律在經(jīng)典力哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 17 -學(xué)中的地位一樣。以麥克斯韋方程組為核心的電磁學(xué)理論，是經(jīng)典物理學(xué)最引以自豪的成就之一，它揭示了電磁相互作用的完美統(tǒng)一，給整個(gè)物理學(xué)樹(shù)立了這樣的一個(gè)信念：物質(zhì)的各種相互作用在更高層次上應(yīng)該是統(tǒng)一的。這樣，這個(gè)理論就可以廣泛的應(yīng)用到技術(shù)領(lǐng)域。麥克斯韋方程組的完美是令人震驚的，它融合了高斯定律和安培定律，也就因?yàn)檫@個(gè)方程組完美統(tǒng)一了電磁場(chǎng)，讓愛(ài)因斯坦始終想以同樣的方式統(tǒng)一引力場(chǎng)，并把宏觀與微觀兩種力整理在同一個(gè)方程組中：既著名的“大統(tǒng)一理論”。然而愛(ài)因斯坦走到人生的終點(diǎn)也沒(méi)有完成這個(gè)歷史使命。麥克斯韋方程組是麥克斯韋在十九世紀(jì)的描述

42、電場(chǎng)與磁場(chǎng)的四個(gè)基本方程。該方程組完整的概括了電磁場(chǎng)的基本規(guī)律，并預(yù)言了電磁波的存在。以下方程組為麥克斯韋方程組的微分形式。 （3-0BDtBEJtDH9）以下方程組是麥克斯韋方程組的積分形式。 （3-SLSLSSStDHSBLESBSEdIdldtd0dqd10）電與磁之間的相互感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，使得科學(xué)走向了一個(gè)新的境界。在麥克斯韋方程組的帶領(lǐng)下科學(xué)走上了新高潮，科學(xué)開(kāi)拓了新領(lǐng)域，帶著我們不斷認(rèn)識(shí)自然認(rèn)知自我3。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 18 -3.4.2 平面電磁波電磁波有同相振蕩且相互垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間中以波的形式移動(dòng)，且傳播方向總是垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成的平面，有效的傳遞能量和動(dòng)量，

43、其模型可見(jiàn)圖 3-12。圖 3-12 電磁波結(jié)合圖 3-12 和麥克斯韋方程組我們可以很清楚的看出，電磁波是電磁場(chǎng)的一種運(yùn)動(dòng)形態(tài)，變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)（即電流產(chǎn)生磁場(chǎng)），變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的能量交替轉(zhuǎn)換使得電磁波以一定速度向外傳播，而且在真空中的傳播速度為光速 c（3.0*108米/秒）。變化的磁場(chǎng)和變化的電場(chǎng)構(gòu)成了一個(gè)不可分離的電磁場(chǎng)，變化的電磁場(chǎng)在空間的傳播形成了電磁波，也稱(chēng)為電波。電磁場(chǎng)是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互結(jié)合體，顧名思義電磁波的傳播并不需要介質(zhì)的存在，但在介質(zhì)中傳播時(shí)同種頻率的電磁波，在不同的介質(zhì)中的傳播速度不一樣，而不同頻率的電磁波，在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，頻率越大折射率也越大

44、，而且速度越小7。由于機(jī)械波與電磁波一樣都具有波粒二象性，所以電磁波也具有機(jī)械波的性質(zhì)，例如：折射、反射、散射等等。電磁波可以按照頻段分類(lèi)，從低頻率到高頻率，包括無(wú)線電波、微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X 射線（倫琴射線）和伽馬射線等等。人眼所能接受到電磁波的頻段，波長(zhǎng)大約在 380 到 780nm 之間，稱(chēng)為可見(jiàn)光（將在下一節(jié)簡(jiǎn)單介紹可見(jiàn)光）。只要是本身溫度大于絕對(duì)零度的物體，都可以發(fā)射電磁輻射（紅外線），所以這個(gè)世界上不存在溫度等于或者小于絕對(duì)零度的物體。3.4.3 可見(jiàn)光(光波)我們所見(jiàn)到的陽(yáng)光其實(shí)是不同頻率光波的組合體，通常又按頻率將白光分成七個(gè)范圍，毛澤東詩(shī)詞中有這么一句話(huà)“赤橙黃綠

45、青藍(lán)紫，誰(shuí)持彩練當(dāng)空舞”其中的七種顏色說(shuō)的就是白光中的七個(gè)范圍，不同頻率的光波哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 19 -給人眼的神經(jīng)的刺激是不同的，所以引起的顏色視覺(jué)也不同，這七個(gè)范圍內(nèi)的光波讓人大腦反應(yīng)出來(lái)的視覺(jué)是：紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。各種單色光的中心頻率和顏色對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)如表 3-1 所示：表 3-1 可見(jiàn)光屬性表顏 色中心頻率/Hz中心波長(zhǎng)/nm波長(zhǎng)范圍/nm紅4.514106607 6 0 - 6 2 2橙4.914106106 2 2 - 5 9 7黃5.314105705 9 7 - 5 7 7綠5.514105505 7 7 - 4 9 2青6.514104604 9 2 -

46、4 5 0藍(lán)6.814104404 5 0 - 4 3 5紫7.314104104 3 5 - 3 9 0可見(jiàn)光具有一般波動(dòng)現(xiàn)象的性質(zhì)，本文將對(duì)光的反射和折射進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述。光的反射和折射現(xiàn)象滲透在我們的生活中，我們每天早晨起床后需要梳妝和整理著裝，這就需要鏡子，而這個(gè)過(guò)程就是利用到了光的反射原理。（1）反射：是指光在傳播到不同物質(zhì)時(shí)，在分界面上改變傳播方向又返回原來(lái)介質(zhì)中的現(xiàn)象。如圖 3-13 所示：圖 3-13 光的反射如圖 3-13，垂直于分界面虛線叫做法線，法線是實(shí)際不存在但為了研究方便畫(huà)入研究圖的，它與入射光線以及反射光線在同一平面內(nèi)。在圖中法線與入射光線的夾角稱(chēng)為入射角，如所示。則

47、法線與反射光線的夾角稱(chēng)為反射角，如所示。光的反射現(xiàn)象中存在反射角等于入射角的關(guān)系10，即： 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 20 - （3- 11）（2）折射：是指光在傳播到不同介質(zhì)時(shí)，在分界面上光的傳播方向發(fā)生偏折的現(xiàn)象。我們就以光從空氣中傳播到水中為例，現(xiàn)象如圖 3-14 所示：圖 3-14 光的折射與反射現(xiàn)象一樣稱(chēng)為入射角，但折射光線與法線的夾角稱(chēng)為折射角，當(dāng)光線從空氣射入水時(shí)，只要入射光線不是垂直于水面，即時(shí)就有入射角大于折射角10，即：0 （3-12）當(dāng)入射光線垂直射入水面時(shí)，則有反射角等于入射角，即： （3- 13）3.5 電磁驅(qū)動(dòng)器工作過(guò)程的分析 3.5.1 物理原理（1）渦流當(dāng)線

48、圈中的電流隨時(shí)間變化時(shí)，由于電磁感應(yīng)，附近的另一個(gè)線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。實(shí)際上這個(gè)線圈附近的任何導(dǎo)體中都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。如果用圖表示這樣的感應(yīng)電流，看起來(lái)就象水中的旋渦，所以我們把它叫做渦電流引。 如圖 3-15 所示：哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 21 -圖 3-15 渦流現(xiàn)象金屬處于變化的磁場(chǎng)中時(shí)，金屬內(nèi)部將產(chǎn)生感應(yīng)電流渦流。根據(jù)楞次定律，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)，形成電磁阻尼。渦流電磁阻尼既能用于電磁制動(dòng)，又可用于電磁驅(qū)動(dòng)。（2）電磁驅(qū)動(dòng)如果磁場(chǎng)相對(duì)于導(dǎo)體運(yùn)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)，這種作用就是電磁驅(qū)動(dòng)。3.5.2

49、演示實(shí)驗(yàn)的物理現(xiàn)象此儀器主要演示的是相對(duì)圓盤(pán)運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)對(duì)金屬圓盤(pán)的電磁驅(qū)動(dòng)作用，具體情況如下：圖 3-16 電磁驅(qū)動(dòng)演示儀結(jié)構(gòu)圖電磁驅(qū)動(dòng)演示儀的結(jié)構(gòu)如圖 3-16 所示，其中是由釹鐵硼材料制成的兩塊永磁體，它固定在長(zhǎng)方形鐵板上；是固定在 L 型鐵架板上的電動(dòng)機(jī)；是可繞水平軸在豎直平面上轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁圓盤(pán)；是固定的托板。接通電源，電動(dòng)機(jī)通電開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)永磁體使之繞水平軸旋轉(zhuǎn)，繼之在豎直平面內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由于渦流的機(jī)械效應(yīng)驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)也跟著旋轉(zhuǎn)起來(lái)。兩者轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相同，但鋁盤(pán)旋轉(zhuǎn)的速度始終小于永磁體（亦即磁場(chǎng)）的轉(zhuǎn)速。這種現(xiàn)象稱(chēng)為電磁驅(qū)動(dòng)。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 22 -第 4 章 電磁驅(qū)動(dòng)

50、演示儀的制作電磁驅(qū)動(dòng)演示儀的制作4.1 電磁驅(qū)動(dòng)演示儀前期調(diào)研圖 4-1 電磁驅(qū)動(dòng)演示儀實(shí)物圖 1如圖 4-1，該電磁驅(qū)動(dòng)演示儀是在淘寶網(wǎng)中搜索看到的，其結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，由手搖傳動(dòng)裝置連接蹄型磁鐵。當(dāng)進(jìn)行手搖操作時(shí)，蹄型磁鐵以中垂線為軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，位于中垂線上的圓柱金屬體由于收到相對(duì)切割磁感線的作用產(chǎn)生電流，而產(chǎn)生的電流又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與所切割的磁感線相反方向的磁感應(yīng)，進(jìn)而由于同極相斥的原理，使得圓柱金屬體隨著蹄型磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)方向而旋轉(zhuǎn)。 圖 4-2 電磁驅(qū)動(dòng)演示儀實(shí)物圖 2如圖 4-2，該演示儀更直觀地顯示了電磁驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)象，但無(wú)法做到電磁 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 23 -驅(qū)動(dòng)相關(guān)參數(shù)的測(cè)量，無(wú)法

51、為探究影響電磁驅(qū)動(dòng)的因素提供所需的數(shù)據(jù)支持。該演示儀較上一個(gè)更復(fù)雜，利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)磁盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，不但省去了人力而且還可以通過(guò)電動(dòng)機(jī)上的顯示設(shè)備更直觀地知道磁盤(pán)的轉(zhuǎn)數(shù)，而且左側(cè)鋁盤(pán)的可調(diào)節(jié)性，可以更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集。但該實(shí)驗(yàn)儀器價(jià)格昂貴。4.2 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容（1）定性演示電磁驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。（2）進(jìn)行定量分析，以研究電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、金屬盤(pán)與磁鐵之間的高度差、金屬盤(pán)材質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影響。（3）該演示儀可用于教學(xué)演示，因此演示儀需要做到便于攜帶、操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯、便于在教室等環(huán)境演示。4.3 演示儀器的制作過(guò)程第一階段：我們對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)的原理進(jìn)行了初步的學(xué)習(xí)，對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)有一定的了解。第二階段：對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)

52、行初步設(shè)計(jì)，采用簡(jiǎn)單的架構(gòu)所組成的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行測(cè)試，調(diào)整鋁盤(pán)放置的位置，鋁盤(pán)與磁鐵的間距，以達(dá)到最好的演示效果。第三階段：完善實(shí)驗(yàn)儀器。為達(dá)到演示效果，在第二階段的基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整，對(duì)三個(gè)方面進(jìn)行修改。（1）調(diào)整了鋁盤(pán)和磁鐵的放置方向，由左右結(jié)構(gòu)變?yōu)樗浇Y(jié)構(gòu);（2）增加了激光測(cè)速計(jì)，方便對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測(cè)定；（3）調(diào)整了磁鐵盤(pán)的結(jié)構(gòu)，由原有的單一固定數(shù)量結(jié)構(gòu)改為多個(gè)凹槽構(gòu)，以便對(duì)磁鐵數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，從而完成對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的研究；（4）增加了鋁盤(pán)放置進(jìn)行調(diào)節(jié)功能，做成可調(diào)節(jié)放置高度的結(jié)構(gòu)。第四階段：增加了無(wú)級(jí)變速模塊，從而通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的速度來(lái)改變磁鐵盤(pán)的轉(zhuǎn)數(shù)用以觀察影響電磁驅(qū)動(dòng)的因素。第五階段：增加了

53、碼盤(pán)與單片機(jī)控制系統(tǒng)，用以更精確的顯示磁鐵盤(pán)與鋁盤(pán)的轉(zhuǎn)數(shù)，可以更直觀地觀察到兩者的關(guān)系。4.4 創(chuàng)新設(shè)計(jì)（1）將轉(zhuǎn)盤(pán)改為多個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)，磁鐵的數(shù)量可以調(diào)整，方便實(shí)驗(yàn)定量分析。（2）能隨意更換不同材質(zhì)的金屬盤(pán)，方便對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定性分析。（3）增加了激光測(cè)速計(jì)，金屬盤(pán)和磁鐵的轉(zhuǎn)速可以準(zhǔn)確測(cè)量及記錄，方便實(shí)驗(yàn)定量分析。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 24 -4.5 存在的問(wèn)題及解決辦法（1）鋁盤(pán)與金屬桿之間的摩擦系數(shù)過(guò)大。在鋁盤(pán)中心增加一個(gè)軸承，減小與金屬桿的摩擦。（2）電動(dòng)機(jī)抖動(dòng)現(xiàn)象，影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析。為電動(dòng)機(jī)制作一個(gè)金屬座，與實(shí)驗(yàn)箱固定，防止抖動(dòng)。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 25 -結(jié)論結(jié)論通

54、過(guò)此次對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象的探究，再次對(duì)電磁學(xué)有了重新的認(rèn)識(shí)。從電磁學(xué)最基本的庫(kù)倫定律到所要研究的電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象，都做了大量文獻(xiàn)的搜集與引用工作，比較系統(tǒng)全面地了解了電磁驅(qū)動(dòng)的基本原理及現(xiàn)象。并且自行設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)演示儀，從中收獲頗豐，不僅加深了對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)原理的印象也增強(qiáng)了我的動(dòng)手實(shí)踐能力。其中，影響電磁驅(qū)動(dòng)的因素有很多，例如磁場(chǎng)磁通量的分布、金屬盤(pán)的材質(zhì)、金屬盤(pán)與磁鐵盤(pán)的距離以及磁鐵盤(pán)的轉(zhuǎn)數(shù)等都或多或少地影響電磁驅(qū)動(dòng)的效率。通過(guò)由淺入深地理解，影響電磁驅(qū)動(dòng)效率的因素都可以用基本的定律去加以驗(yàn)證，更可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真，進(jìn)而比較仿真的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究所得到的結(jié)果，從而更有說(shuō)服力地驗(yàn)證這些

55、因素對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)效率的影響。電磁驅(qū)動(dòng)作為一個(gè)零接觸的驅(qū)動(dòng)方式，已經(jīng)引起了許多科學(xué)家對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域的探索。從電動(dòng)機(jī)的研發(fā)，電磁驅(qū)動(dòng)泵地研制再到磁懸浮列車(chē)技術(shù)的大踏步前進(jìn)，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，電磁驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用定會(huì)在這日新月異的科技時(shí)代大放光彩。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 26 -致謝致謝本文是在宋明歆老師的悉心指導(dǎo)下完成的。從畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的選擇、到選到課題的研究和論證，再到本畢業(yè)設(shè)計(jì)的編寫(xiě)、修改，每一步都有宋老師的細(xì)心指導(dǎo)和認(rèn)真的解析。在宋老師的指導(dǎo)下，我在各方面都有所提高，老師以嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)，一絲不茍的治學(xué)態(tài)度和勤勉的工作態(tài)度深深感染了我，給我巨大的啟迪，鼓舞和鞭策，并成為我人生路上值得學(xué)習(xí)的榜樣。使我的

56、知識(shí)層次又有所提高。同時(shí)感謝所有教育過(guò)我的專(zhuān)業(yè)老師，你們傳授的專(zhuān)業(yè)知識(shí)是我不斷成長(zhǎng)的源泉也是完成本論文的基礎(chǔ)。也感謝我同一組的組員和班里的同學(xué)是你們?cè)谖矣龅诫y題時(shí)幫我找到大量資料，解決難題。再次真誠(chéng)感謝所有幫助過(guò)我的老師同學(xué)。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅提高了我獨(dú)立思考問(wèn)題解決問(wèn)題的能力而且培養(yǎng)了認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，一絲不茍的學(xué)習(xí)態(tài)度。由于經(jīng)驗(yàn)匱乏，能力有限，設(shè)計(jì)中難免有許多考慮不周全的地方，希望各位老師多加指教。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 27 -參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1韓偉，劉志華，胡隆基等電磁驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)線圈溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型研究高等教育出版社，2011：15192趙凱華，陳熙謀電磁學(xué)高等教育出版社，1985：23

57、52373袁祿明電磁測(cè)量機(jī)械工業(yè)出版社，1980：28294楊述武，趙立竹普通物理實(shí)驗(yàn)高等教育出版社，2007：35475趙定云，電磁學(xué)清華大學(xué)出版社有限公司，1999：59876王榮槐，電磁學(xué)電磁學(xué)疑難解析華中理工大學(xué)出版社，1988：62797林德云，李國(guó)定電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)清華大學(xué)出版社，1990：87948戴琳，電磁學(xué)，侯文等電磁學(xué)及其應(yīng)用中國(guó)電力出版社，1998：1061189蘇鐵力，電磁學(xué)電磁學(xué)基本概念學(xué)習(xí)指導(dǎo)遼寧大學(xué)出版社，1987：152910 黃瑩，王云英電磁學(xué)原理在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用兵器工業(yè)出版社，1998：163211 張潔天電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)北京大學(xué)出版社，1993：334512 勵(lì)

58、子偉，宋建平，電磁學(xué)普通物理學(xué)：電磁學(xué)北京大學(xué)出版社，1988：272813 WBo，LZhu and KYan，Design and Fabrication of Micromulti-mirrors Based on Silicon for Micro-spectrometerInternational Conference on. IEEE，2010：819914 MBin，RJian and LLi，Experimental Study on Dynamic Characteristics of a Novel Low Inertia Rotating ElectromagnetInt

59、ernational Conference on. IEEE，2010：121515 SYuan，HZha and XChu，The Principle and Structure of a Screw Drive Piezoelectric MotoJoint Conference of the 2009 Symposium onIEEE，2009：4651哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 28 -附錄附錄附錄 A 電磁驅(qū)動(dòng)演示儀概述在先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下，電磁驅(qū)動(dòng)相關(guān)技術(shù)日新月異，全球電磁驅(qū)動(dòng)的發(fā)展朝智能化邁進(jìn)。各所高校開(kāi)展了與電磁驅(qū)動(dòng)相關(guān)的課題研究，便攜式、低功耗的電磁驅(qū)動(dòng)演示儀器越來(lái)越受到

60、人們的青睞。在以往的產(chǎn)品中，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定量分析不是很方便，本產(chǎn)品采用激光測(cè)速儀，其優(yōu)點(diǎn)有精確度度高、易于操作、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；用激光照射，隨著金屬盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，激光測(cè)速計(jì)將會(huì)記錄轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)速，永磁體測(cè)速亦然。測(cè)量結(jié)果用三位數(shù)字顯示。除此之外，本產(chǎn)品加入了單片機(jī)信號(hào)讀取計(jì)算模塊，連接 1602 液晶顯示屏，易于讀數(shù)，精度高。技術(shù)參數(shù)如表 A-1 本演示儀使用 12v 的直流穩(wěn)壓電源供電。演示范圍：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 10000RPM；測(cè)量精度：(0.05% +1 個(gè)字)。表 A-1 技術(shù)參數(shù)表產(chǎn)品的操作說(shuō)明電磁驅(qū)動(dòng)的原理：穿過(guò)閉合導(dǎo)體的磁通量發(fā)生變化，閉合導(dǎo)體中就有感應(yīng)電流。產(chǎn)生感應(yīng)電流的金屬在磁場(chǎng)中