电磁驱动器的设计与分析

哈尔滨理工大学学士学位论文-PAGEII-电磁驱动器的设计与分析摘要随着电磁驱动的发展，电磁驱动已经应用到现在的各行各业。小到孩童时代的四驱车马达，大到工业应用的驱动装置，电磁驱动越来越被人们所重视。电磁驱动之所以被人们所关注，也是主要由于其动能转化的机械低磨损率，机械磨损率的降低，一方面可以有效地降低工业设备维护的成本，一方面也有效地控制动能转化的效率。而且电磁驱动作为一个新能源，其低碳的理念也和可持续发展的战略紧扣。因此，电磁驱动的发展是一个顺应潮流的趋势。本文主要介绍了电动机的国内外发展现状，电磁学的发展历程，进而延伸到一些基本的电磁学现象，从而了解电磁驱动器的工作原理以及由电磁驱动原理而来的一些技术应用，最后制作一个电磁驱动演示仪用来进行电磁驱动相关的数据收集。关键词电磁驱动；感应电机；电磁学ThedesignandanalysisofelectromagneticactuatorAbstractAlongwiththedevelopmentofelectromagneticdriving,electromagneticdrivehasbeenappliedtoallwalksoflife.Fourdrivemotors,thesizeofsmalltochildhood,totheindustrialapplicationofactuatingdevice,electromagneticdrivebecomesmoreandmoreimportantforpeople.Electromagneticdrivehavebeenattentionbypeople,ismainlybecauseofitskineticenergyintomechanicallowwearrate,therateofmechanicalwearisreduced,ontheonehandcaneffectivelyreducethecostofindustrialequipmentmaintenance,ontheonehand,alsoeffectivelycontrolthekineticenergyconversionefficiency.Andelectromagneticdriveasanewenergy,itslowcarbonconceptandstrategyofsustainabledevelopmentalsoclosely.Therefore,thedevelopmentofelectromagneticdriveisasuitthetrendofthetrend.Developmentpresentsituationathomeandabroad,thisarticlemainlyintroducedthemotordevelopmentofelectromagnetism,whichextendstosomeofthebasicelectromagneticphenomenon,soastounderstandtheworkingprincipleofelectromagneticdriveanddrivenbyelectromagneticprincipleandsometechnicalapplication,andfinallymakeaelectromagneticdrivedemonstrationinstrumentusedforelectromagneticdriverelateddatacollectionandanalysis.Keywordselectromagneticdrive，Inductionmotor，electromagnetism目录TOC\o"1-9"\h\u摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1引言 11.2本文研究的内容 11.3研究的创新点 11.4本文篇章结构 2第2章国内外研究现状 32.1电磁学理论的发展 32.2国内外电磁驱动的技术应用 32.2.1感应电机 32.2.2电磁驱动泵 42.2.3磁悬浮列车 4第3章电磁驱动器的分析 63.1静电场 63.1.1库伦定律 63.1.2电场 63.2磁场 73.2.1奥斯特实验 83.2.2安培环路定理 93.2.3通电螺线管上的磁场 93.2.4载流线圈的磁场 103.2.5电磁感应现象 103.2.6楞次定律 123.3塞曼效应 133.3.1正常塞曼效应 133.3.2反常塞曼效应 143.4电磁波 153.4.1麦克斯韦方程组 153.4.2平面电磁波 163.4.3可见光(光波) 173.5电磁驱动器工作过程的分析 193.5.1物理原理 193.5.2演示实验的物理现象 20第4章电磁驱动演示仪的制作 214.1电磁驱动演示仪前期调研 214.2项目研究内容 224.3演示仪器的制作过程 224.4创新设计 224.5存在的问题及解决办法 23结论 24致谢 25参考文献 26附录 27附录A电磁驱动演示仪概述 27附录B英文文献翻译 29-PAGE1-绪论引言随着电磁驱动的发展，电磁驱动已经应用到现在的各行各业。小到孩童时代的四驱车马达，大到工业应用的驱动装置，电磁驱动越来越被人们所重视。电磁驱动之所以被人们所关注，也是主要由于其动能转化的机械低磨损率，机械磨损率的降低，一方面可以有效地降低工业设备维护的成本，一方面也有效地控制动能转化的效率。而且电磁驱动作为一个新能源，其低碳的理念也和可持续发展的战略紧扣。因此，电磁驱动的发展是一个顺应潮流的趋势。对于电磁驱动的研究不在少数，很多人针对电磁驱动都做了相关的研究，包括电磁线圈的温度对电磁驱动的影响，电磁驱动材料对电磁驱动的影响，以及电磁驱动装置的散热解决方案等等。其中，周志广在《电磁驱动器冷却系统设计与实现》中提到“工作时,驱动线圈内过高温升会降低线圈的机械强度和绝缘材料的绝缘性能,影响其使用寿命,甚至会烧毁线圈。因此，在电磁驱动器研究过程中,必须关注驱动线圈的冷却问题。”说明了电磁驱动线圈温度的变化是会影响到电磁驱动性能的，过高的温度会降低线圈的机械强度，降低其使用寿命，我们需要探究的是线圈温度的变化对于电磁驱动器动能转化率的影响。另外，张琦也在《连铸空心管坯内置磁场搅拌器的优化设计》中提到“相比两相绕组，采用三相绕组的电磁搅拌器能效更高；磁轭结构对搅拌器的作用效果影响显著，为提高金属液所受电磁力应使磁轭的齿部尺寸尽量小些，但若尺寸太小会使磁轭饱和，影响磁轭的使用寿命；电流强度越大则金属液内的流速越大，电流强度与金属液流速呈线性变化，而电流频率与金属液流速呈非线性变化，电流强度对金属液流动的影响要大于电流频率。”说明磁扼结构的改变还会影响电磁驱动的效率。本文研究的内容为了了解影响电磁驱动转化效率的因素，从而进行电磁驱动器的设计，本文着重探究圆盘的材料变化（Al、Cu、Fe等）或者圆盘与磁铁间的距离变化以及磁铁旋转的速率变化对电磁驱动器动能转化率的影响。讨论影响电磁驱动器动能转化率的主要因素，探讨如何减小各因素的影响，为电磁驱动器的设计提供理论依据。研究的创新点电磁学是本科生学习中较为复杂的一门学科之一，电磁驱动器作为电磁学理论发展中的一个产物，其工作原理也较难以理解，因此要对电磁驱动器进行分析与设计有着较大的难度。此次研究电磁驱动器，采取了先分析再制作最后再分析的方法，即首先通过参考文献、相关书籍等进行电磁驱动器工作原理的分析，再通过电磁驱动器的工作原理制作一个简易电磁驱动演示仪，并利用其进行所需数据的收集，最后再次分析利用电磁驱动演示仪收集的数据最终了解影响电磁驱动器转化效率的因素，并为电磁驱动器的设计提供了充足的理论依据。本文篇章结构本文篇章结构如下：在下文章节二中，将介绍国内外电磁驱动器研究现状，包括电磁学理论的发展，国内外电磁驱动原理的技术应用以及感应电动机的研究现状。在章节三中，将详细介绍电磁学的一些基本理论和著名的电磁学定律以及电磁驱动器的工作原理并结合电磁学的基本定律对电磁驱动器的工作原理加以分析。在章节四中，将介绍电磁驱动演示仪的制作流程并利用其做一系列的相关实验进行数据收集，最后结合电磁学定律对收集到的数据加以分析。文章的最后是参考文献和附录。国内外研究现状电磁学理论的发展19世纪是科学时代的开始。在天文学领域，科学家们开始论及太阳系的起源和演化。在地质学领域，英国的地质学家赖尔提出地质渐变理论。在生物学领域，细胞学说、生物进化论，孟德尔的遗传规律相继被发现。在化学领域，原子-分子论被科学肯定；拉瓦锡推翻了燃素说，并成为发现质量守恒定律的第一人；1869年，俄国化学家门捷列夫发表了元素周期律的图表和《元素属性和原子量的关系》的论文。在文中，门捷列夫预言了十一种未知元素的存在，并在以后被一一证实。十九世纪最重大的科学成就是电磁学理论的建立和发展。在19世纪之前，人们基本上认为电与磁是两种不同现象，但人们也发现两者之间可能会存在某种联系，因为水手们不止一次看到，打雷时罗盘上的磁针会发生偏转。1820年7月，丹麦教授奥斯特通过实验证实了电与磁的相互作用，他指出磁针的指向同电流的方向有关。这说明自然界除了沿物体中心线起作用的力以外，还存在着旋转力，而这种旋转力是牛顿力学所无法解释的，这样，一门新学科——电磁学诞生了。奥斯特的发现震动了物理学界，科学家们纷纷做各种实验，力求搞清电与磁的关系。法国的安培提出了电动力学理论。英国化学家、物理学家法拉第于1831年总结出电磁感应定律，1845年他还发现了“磁光效应”，播下了电、磁、光统一理论的种子。但法拉弟的学说都是用直观的形式表达的，缺少精确的数学语言。后来，英国物理学家麦克斯韦克服了这一缺点，他于1865年根据库仑定律、安培力公式、电磁感应定律等经验规律，运用矢量分析的数学手段，提出了真空中的电磁场方程。以后，麦克斯韦又推导出电磁场的波动方程，还从波动方程中推论出电磁波的传播速度刚好等于光速，并预言光也是一种电磁波。这就把电、磁、光统一起来了，这是继牛顿力学以后又一次对自然规律的理论性概括和综合。国内外电磁驱动的技术应用随着电磁学的理论发展，以及全球的能源危机意识，电磁驱动渐渐为人们所重视，国内外已经存在许多应用电磁驱动原理技术的驱动和传动装置。感应电机感应电机（InductionMotor）定转子之间靠电磁感应作用，在转子内感应电流以实现机电能量转换的电机。感应电机一般用作电动机。感应电机的优点是结构简单，制造方便，价格便宜，运行方便；缺点是功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。感应电机是异步电机的一种，由于异步电机主要是感应电机，所以也有人直接在定义时候将异步电机定义为感应电机。但异步电机不仅包括感应电机还包括双馈异步电机和交流换向器电机。电磁驱动泵在电动机或柴油机驱动的往复式泵中，由于电动机或柴油机均为旋转运动，为了将旋转运动转化为往复运动，在泵的传动部分均需要有一套运动转换机构，常用的有：曲柄连杆机构、偏心凸轮机构等。由于这类传动机构体积庞大、结构复杂，也就使往复式泵的体积增大、易损件数量多，生产成本增加，并需要较高的制造精度，这在很大程度上限制了往复泵的适用范围。泵的组成可简单地分为三大部分：驱动电源液力端和电磁线圈。泵的工作原理为：电磁线圈通电后产生电磁场，该磁场通过泵外壳与衔铁（衔铁同时又起柱塞的作用）产生电磁回路，在泵的排出行程时，电磁回路是逐步封闭，磁感应强度逐渐增强。由于衔铁与外壳端面之间存在间隙，使得衔铁与端面产生电磁力，从而使两者吸合，吸合的过程也就是泵的排出过程。当电源断开后，弹簧的弹力使衔铁复位，此过程为泵的吸入过程。由于此泵的电源为脉冲电源，电磁线圈的连续通电和断电，就会使衔铁在泵中带动柱塞作往复直线运动。磁悬浮列车在电磁学中当通给两个相互平行的线圈相互平行的电流时就相互吸引，图2-1磁悬浮列车电流方向相反时就互相排斥，系悬浮列车就是将通有方向相反的线圈来减小阻力达到提高速度效果的。将不同方向线圈装在轨道和列车上，列车就会悬浮起来，同样，在列车和轨道的适当位置分别安装许多对电流方向相同的线圈，由于互相吸引，就能使列车前进。磁悬浮列车就是根据这样一个简单的电磁学原理设计而成的。下图就是形式中的磁悬浮列车：如图2-1，磁悬浮列车是目前世界上技术最先进并且己经进入实用阶段的新型列车，与普通高速列车相比具有许多优越性：第一，速度比普通列车高很多，度速可达500km/h以上，而且预想在真空隧道中运行的磁悬浮列车速度可达到1600km/h。第二，消耗能量较低。原因主要就在于它是悬浮着，只存在与空气间的摩擦。而且因无轮轨接触，震动较小，舒适性好。第三，噪音很低，（只有当速度达到200km/h以上时，才会产生与空气摩擦的轻微噪音）。第四，安全系数高。它的车厢下端像伸出了两排弯曲的胳膊，将路轨紧紧搂住，绝对不可能出轨。列车运行的动力来自固定在路轨两则的电磁流，同一区域内的电磁流强度相同，不可能出现几辆列车速度不同或相向而动的现象，从而排除了列车追尾或相撞的可能。列车的整个安全系统可以相互检测，自动替补，这在其它交通工具是不具备的，因而它是一种高安全度的交通工具。尽管磁悬浮列车技术有上述的许多优点，但仍然存在一些不足：特别是断电后的安全保障和制动问题。其高速稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验。电磁驱动器的分析静电场欲从电学中找到电磁学规律的发现，首先我们得先从电现象入手，找到电学中动力学关系和磁动力关系就不难知道电与磁之间存在着怎么的关系。库伦定律让我们认识一下库伦定律，了解两点电荷之间的关系，如图3-1库仑定律：图3-1库仑定律是电磁场理论的基本定律之一。真空中两个静止的点电荷之间的作用力与这两个电荷所带电量的乘积成正比，和它们距离的平方成反比，作用力的方向沿着这两个点电荷的连线,同名电荷相斥，异名电荷相吸。公式： （3-1）其中F是两点电荷之间所受的库伦力，k是比例常数，q1、q2分别代表两点电荷所带的电荷量，r是两点电荷的距离。电场在很多没有直接接触的力现象中力的相互作用需要有介质的存在，例如马拉车，马能拉动车肯定少不了绳子的存在，只有将马和马车栓在一起才能使马在奔跑中带动马车。再如声音的传播，我们聊天时虽然对方并没有将声带直接贴在我们的耳朵上，但我们能听到对方的声音，这是因为有空气介质的存在。加入我们生活的空间没有空气的存在，那么所谓的聊天只能看到对方嘴唇的动作，并不能听到声音……但刚才说过的例子中q1、q2明显没有直接接触，又似乎没有介质的存在，那么q1、q2之间存在的库伦力又是怎样传递的呢？历史上对这个问题有很多争论，一类人认为这种力并不需要介质的存在就可以之间传递，甚至更不需要时间，不受时间的限制，力的作用就能从一个物体直接传递到另一个物体上。另一种观点认为空间中存在着科学家还未发现的弹性物质——“以太”，电场力就是通过“以太”来传递的。这些观点都被近代物理学家所否认并引入电场。而且还将点电荷在电场中受到的力F与电荷量q0的比值称为电场强度，用字母E来表示：（3-2）如图3-2，以下是几种电荷模型的电场分布：正点电荷负点电荷等量异种电荷图3-2电荷模型电场分布磁场如图3-3，我们现在先来看看以下实验现象：图3-3实验现象本实验的原理图如上图所示，其中深黑色的直导线是原来的导线，就是还没通电时的导线，灰色的导线是通有电流后导线原导线移动的位置。如上图，在导线中通有电流大小为I的电流，这样导线的位置就会发生改变，当电流的方向时导线互相吸引，电流方向相反时导线互相排斥，牛顿第二定律告诉我们，当物体状态发生改变时肯定要受到外力的作用，导线从原来的静止状态开始运动，使得导线的形状发生改变，这说明导线受到力的作用，问题就产生了，导线明显受到了力的作用，那通电导线中相互间的作用力从何而来？以下将对这个问题进行简易的解释。奥斯特实验库伦定律说明了两点电荷之间存在着相互作用，在这基础上物理学家们发现带电物体接触磁场时也能产生力的作用，说到这就少不了说奥斯特实验了，奥斯特实验说明了通电导线与磁性物质之间存在着力的作用，奥斯特是丹麦的科学家，他在1820年4月的一节课中，他讲授了电与磁的课程，他做了一个实验中无意发现了这个现象：通电铂丝扰动玻璃罩内的指南针，虽然效应很弱，看上去也很不规则，但奥斯特却对这种无意间发现的现象产生浓厚的兴趣，在课后他进行了大量的电池反复做了同样的实验对自己的假设进行验证。奥斯特在做实验时还在磁针与导线间放入玻璃、金属、木头等物质，然而磁针的偏转并不因此减弱或者消失[8]。他的实验可以如下概述：导线中通有大小为I的电流，在导线旁放一个小磁针，众所周知磁针在地磁场的作用下沿南北取向，但磁针在电流的作用下会产生偏转，说明磁针与导线间存在着力的作用。当断开电源时磁针重新南北指向，这个实验中的单一变量是导体是否通电，这样我们就能很明确的得到一个结论：通电导体对磁性物质有力的作用。这样就能说明通电导体不仅能产生电场，它也能产磁性质，并又此产生的磁场使奥斯特实验中的磁针发生偏转。也像电荷一样奥斯特实验中通电导线和磁针之间并没有直接的接触，他们之间又是以什么形式传递力的作用呢？与电荷之间的作用力一样，磁性物质周围也存在场的性质，所以物理学家引入的磁场的概念，并以字母B代表磁场强度。这样就不难解释图二所示实验中产生的现象，通电导线能产生磁场，实验中两导线所通电流方向相同时产生的磁场使得两导线互相吸引，相反当电流的方向相反时产生的磁场使得两导线互相排斥，图二中的第一个实验就是因为导线通的电流相同导线互相吸引，最后出现的现象必然是两导线同时向内弯曲，第二个实验磁场间的相互作用使得导向向外弯曲！安培环路定理由奥斯特实验得到了惊人的结论，那么通电导体产生的磁场又是怎样的呢？这个问题我们让安培我们解答：安培知道奥斯特的发现时非常惊讶，他注意到了这个发现的重要性，立刻对电流间的作用进行了精密的研究，他发现图3-3所示实验现象，他便由此猜想到所有的磁性都能用电流置换。随后安培便花了大量的时间研究导体中电流所产生磁场的性质。这里我们取简单的一个种模型（通电直导线）为例，许多实验证实了通电直导线产生的磁场如图。图3-4安培环路定理如图3-4就是安培环路定理，磁场的方向应服从右手螺旋定则：手握导线，大拇指指向电流方向，那么其余四个手指的环绕方向就是磁场的方向，而且在这种简单的模型中产生磁场的强度还满足公式：（3-3）通电螺线管上的磁场现在我们来讨论一下通电螺线管，我记得初中我们学到电磁感应现象的时候就是通过通电螺线管来说明的，下图就是一个通电螺线管：图3-5通电螺线管上的磁场根据电磁感应现象的原理，我们不难理解通电螺线管周围会有磁场的存在，如图3-5在软铁上绕有导线，并在导线中通有电流大小为I的电流，在螺线管中磁场的方向同样服从右手定则，将右手的四个手指弯曲并指向电流环绕的方向，那样大拇指所指向的方向就是磁场的方向。当然在这种情况中如果要求场强的大小还需知道软铁的性质，本文不在这里做解释。载流线圈的磁场下面我们来看看通电线圈中磁场的方向是如何的，下面是通电导线圈的模型：图3-6载流线圈的磁场如图3-6，导线圈中通有电流的大小为I，这种模型服从右手螺旋定则，将右手的四只手指指向电流方向沿线圈环绕，右手大拇指伸直，大拇指指向的方向就是磁场的方向，上图模型的磁场方向如上图所示。这种情可以当做简单的通电螺线管来理解，通电螺线管中线圈的匝数较多，而本模型中可以认为是线圈匝数为一的通电螺线管。电磁感应现象上述内容能很清楚的知道通电导体能产生磁场，我们能不能根据以上结论做一个假设呢？我们假设磁场也可能产生电流或者电动势。带着这个问题我们访问法拉第任何认识这个问题的。法拉第是英国著名的物理学家和化学家。他发现了电磁感应现象，这在物理学上起着很重要的作用。电磁感应现象是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。此电动势称为感应电动势或者感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流（感生电流）。电磁感应现象不止揭示了电与磁的内在联系，而且为电与磁之间的相互转化奠定了实验基础。以下为感生电动势的普适公式。（3-4）其中E代表的是感应电动势，n是螺线管的匝数，是磁通量的改变量，是时间的改变量。其中螺线管中的电流方向我们可以根据右手螺旋定则将其判断出来：将右手握住螺线管并使得右手的大拇指向磁场的方向，那么四肢手指环绕的方向就是电流的流向。电磁感应现象告诉我们变化磁场中产生的感应电动势，坦若我们所选择的导体是一个闭合回路，所产生的感应电流的方向又该是如何呢？让我们做一下这个简单的实验，实验原理图如下图所示：图3-7示意图其中ABCD是闭合回路，AB间接有一个灵敏电流表，CD是灵活边，并以（可变化）的速度向右运动，匀强磁场的方向大小也如图所示。当=0的时候灵敏电流表没有发生偏转，当不等于0的时候电流表发生偏转，即在闭合线圈ABCD中产生感应电流。CD边滑动得越快，灵敏电流表的偏转角度也越大，即感应电流越大。当CD边朝反向运动时，感应电流的方向也相反。大量的实验同样验证着导线切割磁场产生的感应电流的方向必服从左手定则，将左手摊开大拇指指着导线的运动方向，让磁感线穿过手心，四个手指所指的方向就是感应电流的方向。前面我们所接触到的式3-2是在特殊情况下才能适用，但在一般情况下必须使用普适方程：(3-5)楞次定律说到感应电流的方向就少不了介绍楞次定律的介绍：图3-8楞次定律如图3-8，是把磁棒的N极插入线圈和从线圈中拔出的实现，实验中所产生的感应电流的方向也标在图中。作图所示是将磁棒插入线圈的情况，磁棒的感应线方向朝下，很明显的当磁棒插入过程中的向下的磁通量增加。根据右手定则可知，这时感应电流所激发的磁场方向朝上，其作用相当于阻碍磁通量的增加。在右图所示的N极拔出的情况中，穿过线圈向下的磁通量明显减少，而这时感应电流所激发的磁场的方向是向下的，其作用相当于阻碍磁通量的减少，在其他实验中也可以发现这样的规律，所以我们可以得到这样的结论：闭合回路中的感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻碍引起感应电流的磁通量的变化。这个结论叫做楞次定律。在以上导体切割磁感线的实验中，我们也能用楞次定律来判断出感应电流的方向。图3-9楞次运动如图3-9，当CD的速度=0时，由于磁场是一定的，所以这种情况下没有磁通量的变化，这样灵敏电流表自然不会发生偏转，因为没有感应电流的产生，不等于0却CD向右运动时，闭合回路中垂直纸面向上的磁通量不断增加，根据楞次定律闭合回路ABCD所产生的感应电流必然要激发垂直纸面向里的磁通量来阻碍磁通量的变化，这与左手定则相吻合。同样，当CD向左运动时，垂直纸面向外的磁通量不断减少，由此产生的感应电流也激发垂直纸面向里的磁通量来阻碍磁通量的变化。塞曼效应正常塞曼效应图3-10塞曼效应电子的发现，使电磁学和原子与物质结构的理论结合了起来，洛伦慈的电子论把物质的宏观电磁性质归结为原子中电子的效应，统一地解释了电、磁、光现象。洛伦兹认为电具有“原子性”，电的本身是由微小的实体组成的，后来这些微小的实体被称为电子，他以电子的概念为基础来解释物质的电性质，从电子论推导出运动电荷在磁场中要受到力的作用，既洛伦兹力。他把物体的发光解释成原子内部电子的震动产生的，所以当光源放在磁场中时，光源的原子内电子的震动将发生改变，使得电子的震动频率增大或者减小，导致光谱线的增宽或分裂，之后洛伦兹的学生塞曼发现了塞曼效应，证实了洛伦兹的预言，塞曼与洛伦兹共同获得1902年的诺贝尔物理学奖。塞曼效应是指磁场中的光源发出的光谱线分裂成几条谱线的现象。这种现象就是光源中的电子与磁场发生相互作用而产生的现象，塞曼效应可分为正常与非正常塞曼效应，本文简单介绍一下正常塞曼效应，它指的是光源中一条谱线在外磁场的作用下一分为三，彼此间隔相等。而这种现象只能再原子中电子数目为偶数并形成独态的原子时，才能有正常的塞曼效应。在这里本文用镉原子为例，镉的643.847nm谱线是跃迁的结果，这里共有九个跃迁，镉原子正常塞曼效应的原子中的电子跃迁如下图：如图3-10，塞曼得到了镉原子的三条正常塞曼效应的谱线。（3-6）这比表明了当一条谱线在磁场的作用下分裂成三条谱线，谱线间的间隔相等，而已这个间隔等于时的现象称为塞曼效应。反常塞曼效应1897年12月，普雷斯顿报告说，在很多实验实例中，塞曼分裂的数目可以不是三个，数目也不尽相同。在以后近三十年内，虽经许多人的尝试但一直未能得到很合理的解释，从而被称为反常塞曼效应。后来这些疑问在电子自旋假设的提出后迎刃而解。图3-11钠原子的反常塞曼效应我们现在来分析一下钠主线的塞曼分裂，钠是单电子体系，所以对原子磁矩产生主要贡献的是单个电子，黄色双线是2P1/2，3/22S1/2之间跃迁的结果,这就是一种反常塞曼效应的结果。上图为钠原子在磁场中的反常塞曼效应的谱线分裂图，分裂谱线相应的频率为（3-7）（3-8）我们可以从图3-11中看出：钠D线中的5896nm谱线分裂成四条而不是三条，而且两相临谱线的间距是不一样的。589nm那条谱线分列成六条，这六条谱线的间距倒是一样的。这两种分裂在原来谱线的位置上不再出现谱线，这些情况不像正常塞曼效应所描述的。电磁波电与磁的关系已经在上述文章中得到了充分的确立，扑嗍迷离的电磁学使得众多物理学家对电与磁之间的关系产生了极大的兴趣，他们也为物理学做出了杰出的贡献。电磁学从原来的两门相互独立的两门科学（电学和磁学）发展成为物理学中一个完整的分支学科，主要是基于两个重要的试验发现，即电流的磁效应和变化磁场的电效应。这两个试验现象加上麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设，奠定了电磁学的整个理论体系，发展了对现代文明气重大影响的电工和电子技术。但是电磁学的规律并非到这里就结束了，本节说道麦克斯韦公式的时候也简单的提到了电磁波，以下将对电磁波进行简单的说明。麦克斯韦方程组同时磁现象和电现象的这种紧密紧密联系在一起关系不止以上想象在说明着，这种关系也可以从麦克斯韦方程中就能看出：麦克斯韦的涡旋电场和位移电流假说的核心思想是：变化的电场可以激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼此孤立的，他们相互联系相互激发组成一个统一的电磁场。麦克斯韦进一步将电场和磁场的所有规律综合起来，建立了完整的电磁场理论体系。这个理论体系就是所谓的麦克斯韦方程组。这样电磁现象和磁现象的关系变得更难区分开来。麦克斯韦电磁理论的重大意义，不仅在与这个理论支配着一切宏观电磁现象（包括静电、稳恒磁场、电磁感应、电路、电磁波等等），而且在与它将光学现象统一在这个论论框架之内，深刻地影响着人们认识物质世界的思想。麦克斯韦方程组在电磁学中的地位如同牛顿运动定律在经典力学中的地位一样。以麦克斯韦方程组为核心的电磁学理论，是经典物理学最引以自豪的成就之一，它揭示了电磁相互作用的完美统一，给整个物理学树立了这样的一个信念：物质的各种相互作用在更高层次上应该是统一的。这样，这个理论就可以广泛的应用到技术领域。麦克斯韦方程组的完美是令人震惊的，它融合了高斯定律和安培定律，也就因为这个方程组完美统一了电磁场，让爱因斯坦始终想以同样的方式统一引力场，并把宏观与微观两种力整理在同一个方程组中：既著名的“大统一理论”。然而爱因斯坦走到人生的终点也没有完成这个历史使命。麦克斯韦方程组是麦克斯韦在十九世纪的描述电场与磁场的四个基本方程。该方程组完整的概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在。以下方程组为麦克斯韦方程组的微分形式。（3-9）以下方程组是麦克斯韦方程组的积分形式。（3-10）电与磁之间的相互感应的发现，使得科学走向了一个新的境界。在麦克斯韦方程组的带领下科学走上了新高潮，科学开拓了新领域，带着我们不断认识自然认知自我[3]。平面电磁波电磁波有同相振荡且相互垂直的电场和磁场在空间中以波的形式移动，且传播方向总是垂直于电场和磁场构成的平面，有效的传递能量和动量，其模型可见图3-12。图3-12电磁波结合图3-12和麦克斯韦方程组我们可以很清楚的看出，电磁波是电磁场的一种运动形态，变化的电场会产生磁场（即电流产生磁场），变化的磁场产生电场，电场与磁场的能量交替转换使得电磁波以一定速度向外传播，而且在真空中的传播速度为光速c（3.0*108米/秒）。变化的磁场和变化的电场构成了一个不可分离的电磁场，变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，也称为电波。电磁场是电场和磁场的相互结合体，顾名思义电磁波的传播并不需要介质的存在，但在介质中传播时同种频率的电磁波，在不同的介质中的传播速度不一样，而不同频率的电磁波，在同一介质中传播时，频率越大折射率也越大，而且速度越小[7]。由于机械波与电磁波一样都具有波粒二象性，所以电磁波也具有机械波的性质，例如：折射、反射、散射等等。电磁波可以按照频段分类，从低频率到高频率，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线（伦琴射线）和伽马射线等等。人眼所能接受到电磁波的频段，波长大约在380到780nm之间，称为可见光（将在下一节简单介绍可见光）。只要是本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射（红外线），所以这个世界上不存在温度等于或者小于绝对零度的物体。可见光(光波)我们所见到的阳光其实是不同频率光波的组合体，通常又按频率将白光分成七个范围，毛泽东诗词中有这么一句话“赤橙黄绿青蓝紫，谁持彩练当空舞”其中的七种颜色说的就是白光中的七个范围，不同频率的光波给人眼的神经的刺激是不同的，所以引起的颜色视觉也不同，这七个范围内的光波让人大脑反应出来的视觉是：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。各种单色光的中心频率和颜色对应的波长如表3-1所示：表3-1可见光属性表颜色中心频率/Hz中心波长/n波长范围/n红4.5660760-622橙4.9610622-597黄5.3570597-577绿5.5550577-492青6.5460492-450蓝6.8440450-435紫7.3410435-390可见光具有一般波动现象的性质，本文将对光的反射和折射进行简单的阐述。光的反射和折射现象渗透在我们的生活中，我们每天早晨起床后需要梳妆和整理着装，这就需要镜子，而这个过程就是利用到了光的反射原理。（1）反射：是指光在传播到不同物质时，在分界面上改变传播方向又返回原来介质中的现象。如图3-13所示：图3-13光的反射如图3-13，垂直于分界面虚线叫做法线，法线是实际不存在但为了研究方便画入研究图的，它与入射光线以及反射光线在同一平面内。在图中法线与入射光线的夹角称为入射角，如所示。则法线与反射光线的夹角称为反射角，如所示。光的反射现象中存在反射角等于入射角的关系[10]，即：（3-11）（2）折射：是指光在传播到不同介质时，在分界面上光的传播方向发生偏折的现象。我们就以光从空气中传播到水中为例，现象如图3-14所示：图3-14光的折射与反射现象一样称为入射角，但折射光线与法线的夹角称为折射角，当光线从空气射入水时，只要入射光线不是垂直于水面，即时就有入射角大于折射角[10]，即：（3-12）当入射光线垂直射入水面时，则有反射角等于入射角，即：（3-13）电磁驱动器工作过程的分析物理原理（1）涡流当线圈中的电流随时间变化时，由于电磁感应，附近的另一个线圈中会产生感应电流。实际上这个线圈附近的任何导体中都会产生感应电流。如果用图表示这样的感应电流，看起来就象水中的旋涡，所以我们把它叫做涡电流引。如图3-15所示：图3-15涡流现象金属处于变化的磁场中时，金属内部将产生感应电流——涡流。根据楞次定律，涡流的磁场总是阻碍导体与原磁场的相对运动，形成电磁阻尼。涡流电磁阻尼既能用于电磁制动，又可用于电磁驱动。（2）电磁驱动如果磁场相对于导体运动，在导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力使导体运动起来，这种作用就是电磁驱动。演示实验的物理现象此仪器主要演示的是相对圆盘运动的磁场对金属圆盘的电磁驱动作用，具体情况如下：图3-16电磁驱动演示仪结构图电磁驱动演示仪的结构如图3-16所示，其中①是由钕铁硼材料制成的两块永磁体，它固定在长方形铁板上；②是固定在L型铁架板上的电动机；③是可绕水平轴在竖直平面上转动的铝圆盘；④是固定①②③的托板。接通电源，电动机通电开始旋转，电动机②带动永磁体①使之绕水平轴旋转，继之在竖直平面内产生旋转磁场，由于涡流的机械效应驱动圆盘也跟着旋转起来。两者转动的方向相同，但铝盘旋转的速度始终小于永磁体（亦即磁场）的转速。这种现象称为电磁驱动。电磁驱动演示仪的制作电磁驱动演示仪前期调研图4-1电磁驱动演示仪实物图1如图4-1，该电磁驱动演示仪是在淘宝网中搜索看到的，其结构非常简单，由手摇传动装置连接蹄型磁铁。当进行手摇操作时，蹄型磁铁以中垂线为轴发生转动，位于中垂线上的圆柱金属体由于收到相对切割磁感线的作用产生电流，而产生的电流又会产生一个与所切割的磁感线相反方向的磁感应，进而由于同极相斥的原理，使得圆柱金属体随着蹄型磁铁的转动方向而旋转。图4-2电磁驱动演示仪实物图2如图4-2，该演示仪更直观地显示了电磁驱动的现象，但无法做到电磁驱动相关参数的测量，无法为探究影响电磁驱动的因素提供所需的数据支持。该演示仪较上一个更复杂，利用电动机驱动磁盘转动，不但省去了人力而且还可以通过电动机上的显示设备更直观地知道磁盘的转数，而且左侧铝盘的可调节性，可以更好地进行实验数据收集。但该实验仪器价格昂贵。项目研究内容（1）定性演示电磁驱动实验现象。（2）进行定量分析，以研究电动机转速、金属盘与磁铁之间的高度差、金属盘材质对实验现象的影响。（3）该演示仪可用于教学演示，因此演示仪需要做到便于携带、操作简单、现象明显、便于在教室等环境演示。演示仪器的制作过程第一阶段：我们对电磁驱动的原理进行了初步的学习，对电磁驱动有一定的了解。第二阶段：对实验仪器进行初步设计，采用简单的架构所组成的实验仪器进行测试，调整铝盘放置的位置，铝盘与磁铁的间距，以达到最好的演示效果。第三阶段：完善实验仪器。为达到演示效果，在第二阶段的基础上进行了调整，对三个方面进行修改。（1）调整了铝盘和磁铁的放置方向，由左右结构变为水平结构;（2）增加了激光测速计，方便对实验结果进行测定；（3）调整了磁铁盘的结构，由原有的单一固定数量结构改为多个凹槽构，以便对磁铁数量进行调整，从而完成对实验现象的研究；（4）增加了铝盘放置进行调节功能，做成可调节放置高度的结构。第四阶段：增加了无级变速模块，从而通过改变电动机的速度来改变磁铁盘的转数用以观察影响电磁驱动的因素。第五阶段：增加了码盘与单片机控制系统，用以更精确的显示磁铁盘与铝盘的转数，可以更直观地观察到两者的关系。创新设计（1）将转盘改为多个凹槽结构，磁铁的数量可以调整，方便实验定量分析。（2）能随意更换不同材质的金属盘，方便对实验结果进行定性分析。（3）增加了激光测速计，金属盘和磁铁的转速可以准确测量及记录，方便实验定量分析。存在的问题及解决办法（1）铝盘与金属杆之间的摩擦系数过大。在铝盘中心增加一个轴承，减小与金属杆的摩擦。（2）电动机抖动现象，影响实验现象的分析。为电动机制作一个金属座，与实验箱固定，防止抖动。

结论通过此次对电磁驱动现象的探究，再次对电磁学有了重新的认识。从电磁学最基本的库伦定律到所要研究的电磁驱动现象，都做了大量文献的搜集与引用工作，比较系统全面地了解了电磁驱动的基本原理及现象。并且自行设计并制作了一个电磁驱动演示仪，从中收获颇丰，不仅加深了对电磁驱动原理的印象也增强了我的动手实践能力。其中，影响电磁驱动的因素有很多，例如磁场磁通量的分布、金属盘的材质、金属盘与磁铁盘的距离以及磁铁盘的转数等都或多或少地影响电磁驱动的效率。通过由浅入深地理解，影响电磁驱动效率的因素都可以用基本的定律去加以验证，更可以通过计算机软件进行仿真，进而比较仿真的结果与实验研究所得到的结果，从而更有说服力地验证这些因素对电磁驱动效率的影响。电磁驱动作为一个零接触的驱动方式，已经引起了许多科学家对其应用领域的探索。从电动机的研发，电磁驱动泵地研制再到磁悬浮列车技术的大踏步前进，相信在不远的将来，电磁驱动的应用定会在这日新月异的科技时代大放光彩。

致谢本文是在宋明歆老师的悉心指导下完成的。从毕业设计题目的选择、到选到课题的研究和论证，再到本毕业设计的编写、修改，每一步都有宋老师的细心指导和认真的解析。在宋老师的指导下，我在各方面都有所提高，老师以严谨求实，一丝不苟的治学态度和勤勉的工作态度深深感染了我，给我巨大的启迪，鼓舞和鞭策，并成为我人生路上值得学习的榜样。使我的知识层次又有所提高。同时感谢所有教育过我的专业老师，你们传授的专业知识是我不断成长的源泉也是完成本论文的基础。也感谢我同一组的组员和班里的同学是你们在我遇到难题时帮我找到大量资料，解决难题。再次真诚感谢所有帮助过我的老师同学。通过这次毕业设计不仅提高了我独立思考问题解决问题的能力而且培养了认真严谨，一丝不苟的学习态度。由于经验匮乏，能力有限，设计中难免有许多考虑不周全的地方，希望各位老师多加指教。参考文献韩伟，刘志华，胡隆基等．电磁驱动器驱动线圈温度场数学模型研究．高等教育出版社，2011：15～19赵凯华，陈熙谋．电磁学．高等教育出版社，1985：235～237袁禄明．电磁测量．机械工业出版社，1980：28～29杨述武，赵立竹．普通物理实验．高等教育出版社，2007：35～47赵定云，电磁学．清华大学出版社有限公司，1999：59～87王荣槐，电磁学．电磁学疑难解析．华中理工大学出版社，1988：62～79林德云，李国定．电磁场理论基础．清华大学出版社，1990：87～94戴琳，电磁学，侯文等．电磁学及其应用．中国电力出版社，1998：106～118苏铁力，电磁学．电磁学基本概念学习指导．辽宁大学出版社，1987：15～29黄莹，王云英．电磁学原理在科学技术中的应用．兵器工业出版社，1998：16～32张洁天．电磁学实验．北京大学出版社，1993：33～45励子伟，宋建平，电磁学．普通物理学：电磁学．北京大学出版社，1988：27～28W．Bo，L．ZhuandK．Yan，DesignandFabricationofMicromulti-mirrorsBasedonSiliconforMicro-spectrometer．InternationalConferenceon.IEEE，2010：81～99M．Bin，R．JianandL．Li，ExperimentalStudyonDynamicCharacteristicsofaNovelLowInertiaRotatingElectromagnet．InternationalConferenceon.IEEE，2010：12～15S．Yuan，H．ZhaandX．Chu，ThePrincipleandStructureofaScrewDrivePiezoelectricMoto．JointConferenceofthe2009Symposiumon．IEEE，2009：46～51附录附录A电磁驱动演示仪概述在先进科学技术的推动下，电磁驱动相关技术日新月异，全球电磁驱动的发展朝智能化迈进。各所高校开展了与电磁驱动相关的课题研究，便携式、低功耗的电磁驱动演示仪器越来越受到人们的青睐。在以往的产品中，对实验结果的定量分析不是很方便，本产品采用激光测速仪，其优点有精确度度高、易于操作、响应速度快、结构简单；用激光照射，随着金属盘的转动，激光测速计将会记录转盘的转速，永磁体测速亦然。测量结果用三位数字显示。除此之外，本产品加入了单片机信号读取计算模块，连接1602液晶显示屏，易于读数，精度高。技术参数如表A-1本演示仪使用12v的直流稳压电源供电。演示范围：发动机转速10000RPM；测量精度：±(0.05%+1个字)。表A-1技术参数表参数最小值典型值最大值单位工作电压12V发动机转速010000RPM测量范围2.599999RPM工作环境—-4032℃产品的操作说明电磁驱动的原理：穿过闭合导体的磁通量发生变化，闭合导体中就有感应电流。产生感应电流的金属在磁场中，又将受到安培力的作用而发生运动，这种现象通常称为电磁驱动现象。注释：1.总开关2.磁铁3.铝盘4.调速旋钮5.激光测速模块6.单片机电源线7.1602液晶显示屏8.测速模块1的传输线9.测速模块2的传输线10.单片机操作步骤：（1）接通电源，将实验箱的红色开关1向上开启（2）旋转调速旋钮4，磁铁盘2转动，将速度提高，金属盘3也相继转动。（3）待速度稳定时，利用单片机10测量、控制与数码管7数字化技术显示转速。信号信号输入测速模块25v电源51单片机测速模块1信号输出发动机1602液晶显示屏无极调速12v电源开关图A-2模块演示图创新之处：（1）本仪器加入单片机信息读取显示模块，方便计数，精度高。（2）将转盘改为多个凹槽结构，磁铁的数量可以调整，方便实验定量分析。注意事项：（1）非专业人士请勿拆开实验箱；（2）请勿在潮湿的环境中使用；（3）待发动机及金属盘转速稳定时进行测量；（4）由于磁铁易碎的特性，在更换磁铁时要轻拿轻放。

附录B英文文献翻译基本简介电磁学是物理学的一个分支。广义的电磁学可以说是包含电学和磁学，但狭义来说是一门探讨电性与磁性交互关系的学科。主要研究电磁波，电磁场以及有关电荷，带电物体的动力学等等。电磁学是研究电和磁的相互作用现象，及其规律和应用的物理学分支学科。根据近代物理学的观点，磁的现象是由运动电荷所产生的，因而在电学的范围内必然不同程度地包含磁学的内容。所以，电磁学和电学的内容很难截然划分，而“电学”有时也就作为“电磁学”的简称。电磁学从原来互相独立的两门科学(电学、磁学)发展成为物理学中一个完整的分支学科，主要是基于两个重要的实验发现，即电流的磁效应和变化的磁场的电效应。这两个实验现象，加上麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设，奠定了电磁学的整个理论体系，发展了对现代文明起重大影响的电工和电子技术。导线所载有的电流，会在四周产生磁场，其磁场线是以同心圆图案环绕著导线的四周。使用电流表可以直接地测量电流。但这方法的缺点是必须切断电路，将电流表置入电路中间。间接地测量伴电流四周的磁场，也可以测量出电流强度。优点是，不需要切断电路。应用这方法来测量电流的仪器有霍尔效应感测器、电流钳,变流器等等。电子的发现，使电磁学和原子与物质结构的理论结合了起来，洛伦兹的电子论把物质的宏观电磁性质归结为原子中电子的效应，统一地解释了电、磁、光现象。电磁学是物理学的一个分支。电学与磁学领域有着紧密关系，广义的电磁学可以说是包含电学和磁学，但狭义来说是一门探讨电性与磁性交互关系的学科。主要研究电磁波，电磁场以及有关电荷，带电物体的动力学等等。发展简史电磁波的发现由于历史上的原因（最早，磁曾被认为是与电独立无关的现象），同时也由于磁学本身的发展和应用，如近代磁性材料和磁学技术的发展，新的磁效应和磁现象的发现和应用等等，使得磁学的内容不断扩大，而磁学在实际上也就作为一门和电学相平行的学科来研究。麦克斯韦电磁理论的重大意义，不仅在于这个理论支配着一切宏观电磁现象（包括静电、稳恒磁场、电磁感应、电路、电磁波等等），而且在于它将光学现象统一在这个理论框架之内，深刻地影响着人们认识物质世界的思想。电磁学密切相关的是经典电动力学，两者在内容上并没有原则的区别。一般说来，电磁学偏重于电磁现象的实验研究，从广泛的电磁现象研究中归纳出电磁学的基本规律；经典电动力学则偏重于理论方面，它以麦克斯韦方程组和洛伦兹力为基础，研究电磁场分布，电磁波的激发、辐射和传播，以及带电粒子与电磁场的相互作用等电磁问题，也可以说，广义的电磁学包含了经典电动力学。关于相对论和量子理论对电磁学发展的影响，见相对论电动力学、量子电动力学。麦克斯韦《电磁论》发表后，由于理论难懂，无实验验证，在相当长的一段时间里并未受到重视和普遍承认。1879年，柏林科学院设立了有奖征文，要求证明以下三个假设：①如果位移电流存在，必定会产生磁效应；②变化的磁力必定会使绝缘体介质产生位移电流；③在空气或真空中，上述两个假设同样成立。这次征文成为赫兹进行电磁波实验的先导。1885年，赫兹利用一个具有初级和次级两个绕组的振荡线圈进行实验，偶然发现：当初级线圈中输入一个脉冲电流时，次级绕组两端的狭缝中间便产生电火花，赫兹立刻想到，这可能是一种电磁共振现象。既然初级线圈的振荡电流能够激起次级线圈的电火花，那么它就能在邻近介质