利用电磁感应原理做测量.doc

利用电磁感应原理做测量摘要：做实验应用了电磁感应原理，巧妙地将自由落体，感度和电磁感应原理相结合，使之用来对高度测量，或对当地重力加速度进行测量，由于这种新的测量方式有它独立的特点，从而可以用这种新的测量方法来测量器皿，容器件的深度及直柱形桶底的厚度等，运用电磁感应原理不仅增加了测量的方法与种类，也进一步深化了解了楞次定律的应用和磁铁外部磁场的分布情况。 关键字：电磁感应原理;测量；磁铁；磁场；灵敏电子电流表；中图分类号：文献标识码；The principle of electromagnetic induction do measurementLiuHuaFeng ZhaoLong LiuZhiQiang Chongqing jiaotong university mechanical and electrical and automotive engineering schoolAbstract: do the experiment used electromagnetic induction principle, ably will free fall, sensitivity and combine the principle of electromagnetic induction, height measurement used to, or to the local gravity acceleration, because of this new measure measurement method has its characteristics, which can be independent in this new method to measure the depth of the vessels, a container and straight bar at the bottom of the bucket, thickness of using electromagnetic induction principle not only increased measurement method and kinds of further deepening the understanding, also the application of law and stare blankly times magnet of the external magnetic field distribution.Key words: electromagnetic induction principle; The survey; Magnets; Magnetic field; Sensitive electronic ammeter;1. 引言: 目前中国在制造行业仍相对落后，在制造中一些器件或部位只能粗糙测量或是空白，只是凭借工人们的工作经验和手熟来进行生产，无法生产出高质量高精度的产品来，薄弱环节测量可能是一种填补或辅助。我们用电磁感应原理来测高度，深度，用自行设计的专用尺做辅助测量，从而可测一些容器性的三维坐标，或某些特殊点的坐标或某一坐标引发构想设计。2. 实验设计思想2.1. 实验原理2.1.1当一块磁铁从某一高度落下，通过外部绕有一个线圈的圆柱体时，会使线圈产生感应电动势，从而使与之相连的灵敏电子电流表产生读数，通过电流表的通过电流表的读数来测量磁铁落下的高度。 如图2.11所示，当线圈内的磁通量发生改变时，则在A.B两端产生一个感应电动势，在图示闭合回路中将产生感应电流，若整个电路的电阻为R已知，则可以求出感应电动势。e=ir (1)2.1.2对磁铁磁场进行研究，如图2.1-2,在图所示的水平面内，可把磁场强度分为竖直分量和水平分量，现研究直线l上的水平磁场强度的大小，可得出下图2.1-3(也可用磁场强度测定仪测出)。2.1.3公式推导:因 e=ir (1)又因:e= df=F-F=BS-BS=dBS (s为线圈的面积) e= （分子分母同时乘以速度v） = （dB/dy为单位距离内磁场强度的变化率）=BSv (B只与磁铁外部磁场的分布有关，与v无关)由（1）、(2)式得 BSv=iR由上式可知，当v以一定的速度v通过线圈时，电流I的大小与B成正比关系（B为图2.1-3曲线的斜率，与磁铁磁场强度分布有关，与磁铁的状态无关0,当I最大时，是线圈相对通过磁场强度变化率最大区B=B ,即BSv=RI （3）若把磁铁从某以高度落下达到线圈的速度V=(2gh) (4)由（3），（4）式得BSv=RIh=( RI/BS) /2g =(R I)/2g(BS) （5）因R，B,S,g都是固定值，与v无关， 令W=(R/BS)/（2g）=R/BS(2g) ,所以W为固定值，只与磁场分布有关，所以h与I成正比线性关系，把磁铁从几个已知高度落下，通过图解法，求出W的值，利用公式H=( WI)，然后用该磁铁和装置就可以对高度，深度，直柱形筒底的厚度进行测量了。 2.1.4 由于磁铁完全通过线圈时，线圈电流会改变3次，在记录数据时，只记录第1次和第3次的最大电流值I，I（即最大和最小电流值）。磁体长度为h磁体前后通过线圈变化V=V-V =(2gh)-(2gh) =(2g)( h+h)-h)h为磁铁落下的高度，因hh，V0，当磁铁前后通过线圈时，可看作匀速，（后文I均指电流最大值）II;2.2 实验设备，仪器及作用 （1）一块条形磁铁：用来测该磁铁的W值（W=(R/BS)/（2g）只与磁场分布有关），作为固定参数，用于计算后续高度，深度，直柱形筒底的厚度，且该磁铁标明了磁极；（2）一块可以自动记忆电流大小的灵敏电子电流表：用于测量I和I；（3）一个线圈：用于磁铁落下时用电磁感应原理产生电流；（4）导线若干；（5）铁架台：用于固定待测物体，器皿；（6）刻度尺：用于辅助测量；（7）柱形磁铁：一块比条形磁铁磁力大的柱形磁铁，用于吸引移动的条形磁铁，使其运动到待测深度位置或直柱形筒底的待测点出，该磁铁标明了磁极；(8)一块带开关的电磁铁;用于吸住条形磁铁，控制条形磁铁的吸，放，也标明了磁极，以方便使用；（9）平底直柱形容器一个：用于测量容器的深度；（10）双凹底直柱形容器一个：用于测凹底厚度和底部各点坐标；（11）坐标尺一把:用自行设计的坐标尺测量双凹底直柱形容器底的坐标。2.3测量过程 2.3.1 对条形磁铁的W值测量2.3.1.1 实验步骤：（1）按图2.1-1所示连接好电路，摆放好器材； （2）把条形磁铁从一些固定点高度放开使其自由下落，让磁铁穿过线圈装置； （3）观察电流表的读数并做记录； （4）根据记录结果，在坐标纸上画（h）/I的图； （5）由图线及W= R/BS(2g)= （h）/I知，求得W; (6)由图线上的两点及W值和W= R/BS(2g)，可求得所在地重力加速度；2.3.1.2数据记录与处理：高度（m）H0.200.450.801.83.2电流mAIII平均通过上表数据用作图法做出图（h）/I的直线；2.3.2 对高度进行测量（H）2.3.2.1 测量步骤:(1)按图2.1-1所示连接好电路，摆放好器材；（2）把条形磁铁从待测高度放开使其自由下落，让磁铁穿过线圈装置；（3）观察电流表的读数并做记录；（4）重复（2），（3）步骤多测几次，求出I的平均值；（5）由H=(WI)及2.3.1所测的W值和I平均值可求出高度H；2.3.2.2数据记录与处理：（1）数据记录：电流次数1234II（2）数据处理：平均值I=(I+I+I+I+I+I+I+I)/8= H=(WI)= (其中I为平均值，W为2.3.1所测得的值)2.3.3 对深度进行测量（H） 2.3.3.1 测量步骤：(1)按图2.1-1所示连接好电路，摆放好器材；将平底直柱形容器倒置，用铁架台固定于适宜高度； （2）将条形磁铁竖直放入容器内，用柱形磁铁将条形磁铁吸引，移到容器的待测底部； （3）在不至条形磁铁掉下的范围内，往上移动到柱形磁铁，将没有磁性的电磁铁插入条形磁铁与柱形磁铁之间放好位置与磁极，闭合电磁铁的开关，使其有磁性，立刻移去上边的柱形磁铁，使条形磁铁位置忍不变； （4）断开开关（电磁铁的），电磁铁将无磁性，条形磁铁将从容器底自由下落，让磁铁穿过线圈装置；(5)观察电流表的读数并记录；(6)用刻度尺测量容器口到线圈的距离h;(7)重复(2)(3)(4)(5)的步骤多测几次求出I的平均值；(8)由=(WI)及2，3，1所测得的W值和I平均值可求；2.3.3.2.数据记录与处理；(1)数据记录；h=电流 次数1234II(2)数据处理；平均值=(I+I+I+I+I+I+I+I)/8= H=(WI)= (其中I为平均值，W为测得的值) H=H-h= (H为测得的深度)2.3.4.对凹底厚度及底部各点内外坐标的测量；2.3.4.1.测量步骤：(1) 按图2.1-1所示连接好电路，摆放好器材；(2) 将自行设计的坐标尺固定在倒立的双凹底直筒型容器底部，且使水平坐标尺余容器底部最高处紧密接触，用深度尺测底部凹陷深度h；(3) 将条形磁铁竖着放入容器内，用柱形磁铁将其吸引至容器的待测底部位置不动；(4) 将做好准备的柱形容器竖直上移，固定到铁架台上，移到适当的测量位置，放好器材；(5) 测量柱形容器底部最高处到实验台的高度H；(6) 在不至条形磁铁掉下的范围内向上移动柱形磁铁，将没有磁性的电磁铁插入到柱形和条形磁铁之间放好位置与极性，闭合电路开关，使其具有磁性，移去柱形磁铁，使条形磁铁位置不变；(7) 断开开关，电磁铁失去磁性，条形磁铁自由下落并穿过欲放好的线圈装置；(8) 观察电流表的读数并记录；(9) 重复(3)(6)(7)(8)的步骤多测几次，求出I的平均值；(10) 由H=(WI)及2，3，1所测得的W值和I平均值可求；(11) 则凹底厚度H=H-H-h，坐标在选好原点后便可从深度尺上读出，外底高度为深度尺读数，内底高度为深度尺读数加H，Z坐标向下为正；2.3.4.2.数据记录与处理；(1)数据记录：h= ；H= 选坐标原点(0,0,0) 所测点坐标(x,y,z)电流 次数1234II(2)数据处理；平均值=(I+I+I+I+I+I+I+I)/8= H=(WI)= (其中I为平均值，W为测得的值) H=H-H-h= (H为读数所得的容器底厚度)设以容器底中心为x,y,z坐标，与坐标尺原点对齐，以容器底最高处为z=0,z向下为正；x,y为各自的测点读数； 外底坐标：z=h= 内底坐标：z=h+H= 注：其他点及测量容器底部某剖面及整个底部的三维测绘方法与原理同上。2.4.注意事项：(1) 不能用柱形磁铁来代替电磁铁，由于柱形磁铁是永久磁铁，实验过程中不能保证条形磁铁是自由落体；电磁铁因断电而失去磁性，其磁滞对实验影响可忽略。(2) 电磁铁两端头部都用绝缘层套住以免影响实验结果或出现事故。(3) 做图2.1-1中的线圈时，线圈的高度不宜过大，以免力F产生较大影响，力F与线圈匝数有关，对条形磁铁而言进斥出吸，并且是条形磁铁的势能转化为电能，测出电流和高度，由能量守恒知稍有势能转化为电能测量结果更准确；(4) 在图2.1-1中不能用普通的指针电流表，因为指针在转动时有惯性矩影响精确度；(5) 在测得W后，后续试验的磁铁不得更换，以免影响误差；(6) 做线圈时要求线圈之间间距不能太大，以免加大误差，W值不精确，导致后续测出的高度不够精确，线圈绕线粗细要适中；(7) 条形磁铁大小要与柱体空腔的大小成比例；(8) 不能把条形磁铁换成球状的或其他形状，以免下落时磁极，磁场发生改变；(9) 磁铁下放时一定要对准线圈空腔2.5.实验分析总结：意义：1. 可用来测定特殊器具是否符合生产要求标准，包括底的厚度，弧度，受力等；2. 用来测量是否满足各种材料在固有状态或生产工序中的要求，