【浙江大学】电磁力实验装◣置

　　功能作用介绍：

　　由浙江大学电工电子基础教学中心电磁场课程组自主设计，并委●托浙江大学求是公司加工，电磁力实验装置于2014年年初完成设计定型与制造。该实验装置随后投入到浙江大学“工程电磁场与〖波”的实验ζ　教学中，深得学生喜爱。在知识点掌握和学生实践动手能力两方面教学要求相结合的背景下，适应当今对电气信息类高素质学生培养的深度和广度上的需求。

　　本实验装置构造了环形载流线圈与铁№磁平板系统、基于镜像▼法，与原型等效的载流磁系统、盘式电磁铁应用系统三种磁系统。引导学生应用○已具备的电磁场知识，以及所引伸的电磁场数值计算、工程应用软件的仿真分析手段，对这些磁系统的场分布及电磁力等进行实测、解析计算◣和仿真数值计算。并将这三种方ㄨ法所得到的结果用来进行相互印证和对比的专题研究。从而使学生不仅☆加深理解和掌握电磁︽场分析计算(场分布、参数、能量和力)各知识点，而且在运用工程分析的观点的能力基础上，确立基于磁场镜像法所得的具有工程分析◥计算精度、简明通用的理论分析计算平台♀。

　　本实验装置构造的三种磁系统简要介绍如下：

　　1.环形载流线圈与铁磁平板¤系统

　　本系统主要①由一环形载流线圈(内◣外半径分别为〗r1 = 5.0 cm、r2 = 5.6 cm，线圈高度为D = 2.0 cm)与一半径为R = 12.0 cm，厚度为d = 0.4 cm的¤圆形铁磁平板组成。其原理为在给定某一h(环形载流线圈中平面与铁磁平板上表面⊙之间的距离)下，载流线圈通以∩直流激励，要求测量位于对称轴的上半空间和ぷ铁磁平板表面径向的磁场分布。还》要求改变电流大小，测量载流线圈对铁磁平▆板的吸引力。因此实验装置还配有直流稳压电源，测量磁场的两种不同形㊣式探头的高斯计以及测力所需的电子秤。线圈与铁磁平板之【间的距离，由伞形齿轮和涡轮蜗杆构造的机械结构，通过位于装置右侧摇杆※上下调节线圈的位置，并借助╲标尺来定位。为了保证实验研究的单√一中心线的垂直度，利用一水平仪，通过调节该装置底脚螺丝，以及电子①秤的底脚螺丝，来保证圆形铁磁平板、支承圆筒和电子秤三合一系统的单一轴线之↑垂直度。

　　2.对应于1所描述的磁⌒　系统，镜像法所采用的载流系统

　　对应与1所描述的本实验构造的】环形载流线圈与铁磁平板系＠统。若采用理想化假设：圆形铁磁平板半径R >> h、r1和r2(理论上⊙应令R→ ∞)，且设铁磁平板磁导率? → ∞时，则就其上■半空间呈轴对称特征的磁场分布而言，可将1所描述的磁」系统近似为环形载流线圈与无限大▽铁磁平板所构成的磁系统。从而，即可简捷地应用镜像法，求其上半空间磁感应强度分布的解析解。换句话说，基于磁场镜像法的应用，1所描述磁系统上半空间中待求磁场※分布，应等同于如下所描述载流系统上半空间中』的磁场分布

　　该系统主要由两个相同的环形载◤流线圈(内外半径分「别为r1 = 5.0 cm、r2 = 5.6 cm，线圈高度为D = 2.0 cm)组成。其原理为■两环形载流线圈中平面之间的距离H是1所描述系统中环形载流线圈中︾平面与铁磁平板上表面之间◣的距离№的两倍，即H = 2h。两载流线圈通以同样大小的直流激励，且要求电流环形方向相同，也要求测量磁场分布和电磁力。因该系统□　是1所描述系统的等效载流系统，故所测量结果在误差范围之下□是一致的，从而让“镜像法”原理由实验直△观、形象地展示。为满足边界条件，通过镜像载流线圈位々置及其载流方向的确定，实验使学生对理论有了清晰的理解。此外，线性系统叠加原理的应用，实验与讲授知识①点紧密关联，进一步加深了镜像法、叠加原理应◎用的理解。

　　3.盘式电磁铁应用系统

　　本系统主要由嵌入一环形载流□　线圈(内外半径分别为r1 = 5.0 cm、r2 = 5.6 cm，线圈高度为D = 2.0 cm)的盘式电磁铁与一半径为R = 12.0 cm，厚度为d = 1.25 cm的圆形铁磁≡平板组成。盘式电磁铁】的外半径为 r3 = 7.8 cm，高度为W = 3.8cm。其原理为在给定某一H(环形载流线圈下表面与铁磁平板上表面之≡间的距离)下，载流线圈通以直流激励，要求测量铁磁平板表面径向的磁场分布，以及改变电流大小，测量盘式□电磁铁对铁磁平板的吸引力。在本实验中，通过盘式电磁铁应用系统的构建，“场空间”的概念↓被具体化为铁磁材料的应用实际，而盘式◥电磁铁作用于铁磁平板的电磁力对比于1所描述线性磁系统中环形载流线圈作用于铁磁平¤板的电磁引力，因铁磁材料的引ㄨ入，极大地增强了电磁力效应，从而增●进了学生对工程上广泛应用铁磁材料的工程意义及其价值之理解，并进而深化█了“高能量密度”、“优化设计”等工『程用语的体会。

　　作品名称：电磁力实验装置

　　完成单位：浙江大◣学电工电子实验教学中心