实验6-5 电磁感应与磁悬浮力
实验目的、意义和要求
电磁学之所以迅速发展为物理学中的一个重要学科，在于它的强大生命力，在于它在经济生活中有丰富的回报率。电磁感应原理不但在传统的电机工程、变压器效应、无线通讯等领域中独领风骚，在现代医学、现代交通、信息产业等领域中也有许多应用。
本实验就是要通过一些电磁感应现象的揭示，悟出其中的原理和奥妙，并研究它的现象和磁力对各种材料的影响，探讨其在现实生活中的应用和发展，这对电磁感应从理论到实际的联系，对电磁感应的成因，性质、效应和规律的理解，都有很大的收益。
黄铜的电导率和磁导率分别为
σ = 1.5 ⨯ 107 (S/m) 和 μ0 = 4π ⨯ 10-7 (H/m)
趋腹深度(穿透深度) 为
δ=2
σω0μ0=2-5=2. 72⨯10 (cm) 79-71. 5⨯10⨯2π⨯2. 29⨯10⨯4π⨯10
实验前应回答的问题
1. 什么是电磁感应？其产生的电流、电动势和电磁场如何定义？
解答通过闭合回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中产生电流的现象叫电磁感应。由电磁感应产生的电动势称感生电动势，由电磁感应产生的电流称感生电流。电磁场是一种物理场，是相互依存的电场和磁场的总称。电流随时间变化而引起磁场，磁场随时间变化产生电场，二者互为因果，形成电磁场。
2. 楞次定律说明了什么？此实验中电能可能转化为何种能量？
解答是确定感生电流方向的定律，即感生电流的方向，总是使其产生的磁场阻碍原来磁场的变化。在此实验中电能有可能转化为热能和机械能等。
3. 什么叫磁力？它和安培定律有什么关系？
解答磁力也称为安培力它表述通电导线在磁场中受力的情况，其公式为F ＝BIL sin a 。a 为磁场方向与电流方向的夹角B 为磁感应强度，I 为导线中的电流，L 为导线长度。作用力F 的方向可用左手定则确定。此公式也可称为安培定律。
4. 说明磁场强度及其对电流的关系？
解答磁场强度是描写磁介质中磁场的一个辅助量。磁介质中的磁场不仅与磁介质中的磁化电流有关，更和场源的电流有关，磁场强度定义为。（M 为磁场强度） 。
5. 变压器和电磁感应有什么联系？其原理是什么？
解答变压器是利用电磁感应原理来改变电压和电流的一种电气设备，其原理为原线圈和付线圈中感生电动势之比等于它们的匝数之比，即。
6. 什么叫电阻率？它在电磁感应中起了什么作用？
解答停 电阻率是表征物质导电性能的物理量，它是随温度变化而变化的。电阻率和电阻成正比，而导体内电阻的大小直接影响了电磁感应中感生电流的大小，从而影响电磁感应的效果。
7. 什么叫电磁铁？什么叫磁化? 它们都有什么作用？
解答利用电流使磁芯磁化的装置叫电磁铁。它是软磁材料制成的铁芯和激磁线圈共同组成。而使原来不带磁的物体在磁场中获得磁性的过程叫磁化，最容易磁化的物质是铁磁物质（如软铁、硅钢等。由于电流能引起很强的磁场并便于控制，所以常用电流产生的磁场使铁磁物质磁化而制成永磁铁或电磁铁，它们都在电工和电子技术方面得到广泛的应用。
8. 什么叫涡流？什么叫感应电场？
解答涡流也称付科流。即迅速变化的磁场在导体内产生的感生电流，是在垂直于磁场方向的平面内沿环流流通的电流（其形状象水的涡流）。变化的磁场产生的电场称为感应电场。
实验室可提供的主要器材
1. 由上海大学电子设备厂生产的电磁感应实验仪一台，主要器件有线圈和软铁棒，组成如图1所示。
图 1 电磁感应仪 图 2 电磁感应电源面板接线
2. MSU －1电磁感应电源一台，面板接线如图2所示。
3. 小铝环2只（其中1只有切割的缝隙），等厚但外径较小的小铝环1只。
4. 小铜环2只（其中1只为黄铜环，另1只为纯铜环，小软铁环1只，小钢环1只。 5. 塑料环1只，游标卡尺1把，电子天平1台。
6. 由铜线绕制的线圈环1只，并在线圈环上接有小电珠。
实验内容
1. 将小铝环套在MSU －1电磁感应实验仪的软铁棒上，接好连接线。将MSU －1电磁感应实验电源调到零电压的输出位置，交流档将开关合上，逐渐增大调压变压器的输出电压，小铝环将逐渐上升并悬浮在软铁棒上，用同体积的黄铜环和纯铜环做上述实验，会发现在外界条件（如电压）相同的情况下，这3个环在软铁棒上所处的高度却不一样。
提示这三个环在软铁棒上所处的位置从高到低依次为纯铜环－铝环－黄铜环。
2. 用电子天平称出上述三个小环的重量 , 用游标卡尺测量它们的体积，找出它们上升高度不同的原因。
提示三个环的重量从重到轻依次为纯铜环－黄铜环－铝环。它们的体积经测量相等。上升高度不同的原因是材料的电阻率不一样，例如在18°C 时纯铜为0.0168×10－6Ωm ；铝为0.02710－6Ωm ；黄铜为0.065－6Ωm。虽然3个小环都有重力，但在此实验中显然已不起主导作用了，起主导作用的是安培力。
3. 用小的软铁环套在MSU －1电磁感应实验仪的软铁棒上，重复实验内容1的操作，会发现小的软铁环几乎是粘在软铁棒上，用手将其套在软铁棒的任意高度处，都会被软铁棒吸住，这是为什么？
提示这是软铁环被磁化的原因。
4. 用塑料环和有缝隙的小铝环做上述实验，会发现什么现象？有缝隙的小铝环焊上 1 根铜线会有什么变化？
提示塑料环由于电阻率极大（如聚氯乙烯达1010～1014Ωm不会产生电磁感应，而有缝隙的小铝环，也不能形成闭合回路，故也不会产生电磁感应。如在铝环的缝隙处焊上一根铜线，虽形成了闭合回路但铝环仍然不会悬起，因为此时电阻仍太大，感生电流太小，磁场产生的悬浮力也太小。
5. 用等厚但外径不一样的小铝环做上述实验，和实验内容1中的小铝环相比，会发现什么现象？如何解释？
提示外径大的小铝环悬浮得稍高，在此电磁感应产生的安培力仍起主要作用，重力的作用仍是次要的，当然由于仪器的原因，外径不能无限大。
6. 实验内容1的实验过程中，MSV -1电磁感应实验仪的软铁棒和套入的金属小环为什么会发热？
提示这是由于电能的一部分转化为热能，其原因是涡电流在起作用。它能使导体发热，大量消耗电能。
7. 实验时用铜线绕成的线圈环套入软铁棒，线圈环中的小电珠为什么会发亮？其亮度为什么会随线圈环离软铁棒的距离呈递减趋势？
提示这是感应电场在起作用，由于软铁棒通以交变的电流，于是棒周围便有变化的磁场产生的电场，把串联着许多小灯泡的闭合导线回路的线圈环套入软铁棒，电场迫使回路中的电子作定向运动，形成电流，灯泡发亮。而亮度随线圈环离软铁棒的距离呈递减，这是磁感应强度的作用，磁感应强度和距离有关。
8. 取小钢环套入软铁棒，其圆心和软铁棒的中心处于偏心状态，打开MSV -1电磁感应实验仪的开关，会发现小钢环发生振动，偏心量逐渐扩大，直到钢环的环壁碰到软铁棒为止。解释这种现象。
提示钢是合金，有的能产生电磁感应现象（如碳钢），有的不能产生电磁感应现象（如不锈钢），本实验必须用碳钢。 偏心量逐渐扩大 的原因是靠近 软铁棒 处的磁场强，产生的吸引力也更大。
实验报告要求
1. 写明本实验的目的和意义。
2. 阐述实验的基本原理，设计思路和研究过程。
3. 记下所用的仪器，材料的规格或型号数量等。
4. 记录实验的全过程，包括实验步骤，各种实验现象和数据。
5. 分析实验结果，讨论实验中出现的各种问题，以及在现实生活中的应用。
6. 得出实验结果并提出改进意见。
实验6-5 电磁感应与磁悬浮力
实验目的、意义和要求
电磁学之所以迅速发展为物理学中的一个重要学科，在于它的强大生命力，在于它在经济生活中有丰富的回报率。电磁感应原理不但在传统的电机工程、变压器效应、无线通讯等领域中独领风骚，在现代医学、现代交通、信息产业等领域中也有许多应用。
本实验就是要通过一些电磁感应现象的揭示，悟出其中的原理和奥妙，并研究它的现象和磁力对各种材料的影响，探讨其在现实生活中的应用和发展，这对电磁感应从理论到实际的联系，对电磁感应的成因，性质、效应和规律的理解，都有很大的收益。
黄铜的电导率和磁导率分别为
σ = 1.5 ⨯ 107 (S/m) 和 μ0 = 4π ⨯ 10-7 (H/m)
趋腹深度(穿透深度) 为
δ=2
σω0μ0=2-5=2. 72⨯10 (cm) 79-71. 5⨯10⨯2π⨯2. 29⨯10⨯4π⨯10
实验前应回答的问题
1. 什么是电磁感应？其产生的电流、电动势和电磁场如何定义？
解答通过闭合回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中产生电流的现象叫电磁感应。由电磁感应产生的电动势称感生电动势，由电磁感应产生的电流称感生电流。电磁场是一种物理场，是相互依存的电场和磁场的总称。电流随时间变化而引起磁场，磁场随时间变化产生电场，二者互为因果，形成电磁场。
2. 楞次定律说明了什么？此实验中电能可能转化为何种能量？
解答是确定感生电流方向的定律，即感生电流的方向，总是使其产生的磁场阻碍原来磁场的变化。在此实验中电能有可能转化为热能和机械能等。
3. 什么叫磁力？它和安培定律有什么关系？
解答磁力也称为安培力它表述通电导线在磁场中受力的情况，其公式为F ＝BIL sin a 。a 为磁场方向与电流方向的夹角B 为磁感应强度，I 为导线中的电流，L 为导线长度。作用力F 的方向可用左手定则确定。此公式也可称为安培定律。
4. 说明磁场强度及其对电流的关系？
解答磁场强度是描写磁介质中磁场的一个辅助量。磁介质中的磁场不仅与磁介质中的磁化电流有关，更和场源的电流有关，磁场强度定义为。（M 为磁场强度） 。
5. 变压器和电磁感应有什么联系？其原理是什么？
解答变压器是利用电磁感应原理来改变电压和电流的一种电气设备，其原理为原线圈和付线圈中感生电动势之比等于它们的匝数之比，即。
6. 什么叫电阻率？它在电磁感应中起了什么作用？
解答停 电阻率是表征物质导电性能的物理量，它是随温度变化而变化的。电阻率和电阻成正比，而导体内电阻的大小直接影响了电磁感应中感生电流的大小，从而影响电磁感应的效果。
7. 什么叫电磁铁？什么叫磁化? 它们都有什么作用？
解答利用电流使磁芯磁化的装置叫电磁铁。它是软磁材料制成的铁芯和激磁线圈共同组成。而使原来不带磁的物体在磁场中获得磁性的过程叫磁化，最容易磁化的物质是铁磁物质（如软铁、硅钢等。由于电流能引起很强的磁场并便于控制，所以常用电流产生的磁场使铁磁物质磁化而制成永磁铁或电磁铁，它们都在电工和电子技术方面得到广泛的应用。
8. 什么叫涡流？什么叫感应电场？
解答涡流也称付科流。即迅速变化的磁场在导体内产生的感生电流，是在垂直于磁场方向的平面内沿环流流通的电流（其形状象水的涡流）。变化的磁场产生的电场称为感应电场。
实验室可提供的主要器材
1. 由上海大学电子设备厂生产的电磁感应实验仪一台，主要器件有线圈和软铁棒，组成如图1所示。
图 1 电磁感应仪 图 2 电磁感应电源面板接线
2. MSU －1电磁感应电源一台，面板接线如图2所示。
3. 小铝环2只（其中1只有切割的缝隙），等厚但外径较小的小铝环1只。
4. 小铜环2只（其中1只为黄铜环，另1只为纯铜环，小软铁环1只，小钢环1只。 5. 塑料环1只，游标卡尺1把，电子天平1台。
6. 由铜线绕制的线圈环1只，并在线圈环上接有小电珠。
实验内容
1. 将小铝环套在MSU －1电磁感应实验仪的软铁棒上，接好连接线。将MSU －1电磁感应实验电源调到零电压的输出位置，交流档将开关合上，逐渐增大调压变压器的输出电压，小铝环将逐渐上升并悬浮在软铁棒上，用同体积的黄铜环和纯铜环做上述实验，会发现在外界条件（如电压）相同的情况下，这3个环在软铁棒上所处的高度却不一样。
提示这三个环在软铁棒上所处的位置从高到低依次为纯铜环－铝环－黄铜环。
2. 用电子天平称出上述三个小环的重量 , 用游标卡尺测量它们的体积，找出它们上升高度不同的原因。
提示三个环的重量从重到轻依次为纯铜环－黄铜环－铝环。它们的体积经测量相等。上升高度不同的原因是材料的电阻率不一样，例如在18°C 时纯铜为0.0168×10－6Ωm ；铝为0.02710－6Ωm ；黄铜为0.065－6Ωm。虽然3个小环都有重力，但在此实验中显然已不起主导作用了，起主导作用的是安培力。
3. 用小的软铁环套在MSU －1电磁感应实验仪的软铁棒上，重复实验内容1的操作，会发现小的软铁环几乎是粘在软铁棒上，用手将其套在软铁棒的任意高度处，都会被软铁棒吸住，这是为什么？
提示这是软铁环被磁化的原因。
4. 用塑料环和有缝隙的小铝环做上述实验，会发现什么现象？有缝隙的小铝环焊上 1 根铜线会有什么变化？
提示塑料环由于电阻率极大（如聚氯乙烯达1010～1014Ωm不会产生电磁感应，而有缝隙的小铝环，也不能形成闭合回路，故也不会产生电磁感应。如在铝环的缝隙处焊上一根铜线，虽形成了闭合回路但铝环仍然不会悬起，因为此时电阻仍太大，感生电流太小，磁场产生的悬浮力也太小。
5. 用等厚但外径不一样的小铝环做上述实验，和实验内容1中的小铝环相比，会发现什么现象？如何解释？
提示外径大的小铝环悬浮得稍高，在此电磁感应产生的安培力仍起主要作用，重力的作用仍是次要的，当然由于仪器的原因，外径不能无限大。
6. 实验内容1的实验过程中，MSV -1电磁感应实验仪的软铁棒和套入的金属小环为什么会发热？
提示这是由于电能的一部分转化为热能，其原因是涡电流在起作用。它能使导体发热，大量消耗电能。
7. 实验时用铜线绕成的线圈环套入软铁棒，线圈环中的小电珠为什么会发亮？其亮度为什么会随线圈环离软铁棒的距离呈递减趋势？
提示这是感应电场在起作用，由于软铁棒通以交变的电流，于是棒周围便有变化的磁场产生的电场，把串联着许多小灯泡的闭合导线回路的线圈环套入软铁棒，电场迫使回路中的电子作定向运动，形成电流，灯泡发亮。而亮度随线圈环离软铁棒的距离呈递减，这是磁感应强度的作用，磁感应强度和距离有关。
8. 取小钢环套入软铁棒，其圆心和软铁棒的中心处于偏心状态，打开MSV -1电磁感应实验仪的开关，会发现小钢环发生振动，偏心量逐渐扩大，直到钢环的环壁碰到软铁棒为止。解释这种现象。
提示钢是合金，有的能产生电磁感应现象（如碳钢），有的不能产生电磁感应现象（如不锈钢），本实验必须用碳钢。 偏心量逐渐扩大 的原因是靠近 软铁棒 处的磁场强，产生的吸引力也更大。
实验报告要求
1. 写明本实验的目的和意义。
2. 阐述实验的基本原理，设计思路和研究过程。
3. 记下所用的仪器，材料的规格或型号数量等。
4. 记录实验的全过程，包括实验步骤，各种实验现象和数据。
5. 分析实验结果，讨论实验中出现的各种问题，以及在现实生活中的应用。
6. 得出实验结果并提出改进意见。