基于气垫导轨的法拉第电磁感应实验装置设计.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 3 期 2023 年 6 月Vol.26 No.3 Jun.2023仪器、设备、技术 基于气垫导轨的法拉第电磁感应实验装置设计杜 苛,赵洪祎,胡祺波,范雪松,曲君华,樊振军,赵长春,蒋 芸(中国地质大学(北京)数理学院,北京 100083)摘 要:设计了一种可以定量演示和验证法拉第电磁感应现象的实验装置,该装置利用气垫导轨控制装载了磁铁的小车的速度,可以排除不可控因素对条形磁铁速度的影响。同时使用弱电流采集模块记录整个过程感应电流的数据,当固定在小车上的条形磁铁以不同的速度穿过线圈时,弱电流采集模块测量并记录下整个过程的感应电流。通过将电磁现象与牛顿力学规律相结合进行分析,从而可以对法拉第电磁感应现象进行直观的观察及更为准确的定量验证。关键词:法拉第电磁感应定律;气垫导轨;弱电流采集模块中图分类号:O441.3 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.03.041Design of Faraday electromagnetic induction experiment device based on air trackDU Ke,ZHAO Hongyi,HU Qibo,FAN Xuesong,QU Junhua,FAN Zhenjun,ZHAO Changchun,JIANG Yun(School of Sciences,China University of Geosciences,Beijing 100083,China)Abstract:An experimental device which can quantitatively demonstrate and verify Faraday electromag-netic induction phenomenon is designed.The device uses air track to control the speed of the trolley loaded with magnet,and can eliminate the influences of uncontrollable factors on the speed of bar mag-net.At the same time,the weak current acquisition module is used to record the data of the induced current in the whole process and when the bar magnet fixed on the car passes through the coil at different speeds,the weak current acquisition module measures and records the induced current of the whole process.By combining electromagnetic phenomenon with Newtons law of mechanics,the Faraday elec-tromagnetic induction phenomenon can be observed directly and can be checked more accurately.Key words:Faradays law of electromagnetic induction;air track;weak current acquisition module 收稿日期:2021-05-23 修改日期:2021-12-16作者简介:杜苛,本科在读,主要研究方向为地球物理。E-mail:1001181210 通讯作者:樊振军,博士,副教授,从事大学物理实验的教学研究工作,主要研究方向为磁性材料、介电材料、生物可降解材料等。E-mail:fanzj 基金 项 目:教 育 部 高 等 学 校 教 学 研 究 项 目(项 目 编 号:DWJZW202112hb);中国地质大学(北京)大学生创新和创业项目(项目编号:S202111415132)。法拉第电磁感应现象是电磁学的重大的发现之一,它揭示了电和磁相互联系与转化的规律,在科学技术上具有划时代的意义1。利用电磁感应定律,人们制造了发电机,实现了电能的大规模生产。同时,电磁感应定律在电工技术、电子技术、电磁记忆等方面也都有着广泛的应用。因此,对法拉第电磁感应定律的准确验证在学习过程中具有重要意义。验证该定律的常规演示实验是将线圈与电流计相连形成闭合回路,在线圈中插入或拔出条形磁铁,通过观察电流计指针的偏转得出定性的结论2-4,该过程中条形磁铁的速度与磁通量的改变量都没有确定的值,无法进行定量验证。为了定量验证法拉第电磁感应定律,马志春等4设计了由两个弹簧连接磁铁在线圈内做简谐振动而构成的简谐式法拉第电磁感应定律演示仪,定量演示变速状态下的法拉第电杜苛,等:基于气垫导轨的法拉第电磁感应实验装置设计磁感应定律。陈晓平5、伊兰6利用 DIS 电压传感器和微电流传感器,沈志斌7利用电流传感器,宋培文等8利用朗威数字化信息系统实验室 DIS-lab7.2 软件和电压传感器采集相应的数据,应用控制变量法定量验证了法拉第电磁感应定律。洪晓明等通过让矩形线圈随滑块在气垫导轨上运动,利用光电门、计时器和示波器记录的数据直接对法拉第电磁感应定律进行归纳。由于在实验探究环节中,磁通量变化量的改变、对应的时间和电动势测量比较困难,造成了实验探究的困难。我们在参考其他学者对法拉第电磁感应定律的定量探究的基础上,改进了实验器材,使其既能定量探究,又制作简单、操作方便、易于推广。本实验装置在常规实验的基础上,增加了气垫导轨9和弱电流采集模块,当固定在小车上的条形磁铁以不同的速度穿过线圈时,弱电流采集模块测量并记录下整个过程的感应电流。通过将电磁学与牛顿力学相结合,该装置不但能定性演示不同速度运动的磁铁引起线圈磁通量变化而产生的感应电流的变化规律,同时验证了法拉第电磁感应的定量关系。1 装置设计实验装置简图见图 1,实验器材包括气垫导轨(含小车)、螺线管(半径 0.1 m,300 匝)、光电门(计时精度为 0.000 1 s)、条形磁铁(长 0.049 m,宽0.0131 m,高 0.01 m)、栅状木片(0.009 m/格)、弱电流测量模块(采样频率 4 Hz,自动模式下测量精度3%)、计算机弱电流采集软件、直流稳压电源和气泵。图 1 实验装置简图实验装置制作组装:先将漆包铜线手动缠绕至亚克力管上组成螺线管,利用泡沫板将螺线管在气垫导轨中部位置固定,然后将条形磁铁与木片固定在小车上,并将光电门固定于螺线管内亚克力管的两侧。当物体通过光电门时光被挡住,计时器开始计时,当物体离开时停止计时,根据物体挡光长度与遮挡光路的时间,即可计算物体在挡光过程中运动的平均速度。由于小车的速度较小,故可以忽略空气阻力的影响。将螺线管两端的漆包线刮去漆,与弱电流测量模块的电流输入端相连,并利用 HDMI 转 USB 接口转换器将测量模块输出端与计算机相连,最后用已在两端刮去漆的漆包线,将测量模块的电源输入端与直流电源相连。实验时,首先打开气泵,通过观察小车的运动,将导轨调整至水平位置;然后将螺线管内的光电门高度调整至可以被木片遮挡,再用酒精擦拭气垫导轨后,将小车放到气垫导轨一侧。将光电门调整至模式 1,电压调至弱电流测量模块的最佳适用范围,启动数据采集系统,待图像稳定后,将小车从气垫导轨一端以一定速度释放,滑至导轨另一端时停止采集;记录与保存弱电流采集程序中采集到的电流数据、图像、光电门读数与木片宽度。2 实验原理实验中所利用的法拉第电磁感应原理具体表述为:当穿过回路的磁通量发生变化时,回路中的感应电动势 的大小和穿过回路的磁通量变化率成正比,表达式如式(1)所示(其中负号表示阻碍的作用),由此可知验证法拉第电磁感应规律的变量有线圈匝数 n、小车穿过螺线管时的磁通量改变量 和时间t。由于在本实验中,小车在各个位置速度的测量结果相差不大,即感应电流的磁场对小车速度影响不大,故对楞次定律造成的影响忽略不计10-11。=-nddt=-nddtsBdS(1)若闭合电路为一个 n 匝的线圈,则又可表示为:E=nt(2)=BS(3)式中,n 为线圈匝数,为磁通量变化量,t 为发生变化所用时间。由公式(1)(2)(3)可知,感应电动势 E 与匝数n 成正比,与磁通量改变量 成正比;与磁通量变化的时间 t 成反比。3 实验结果及分析小车在进出螺线管的过程中,所引起的磁通量的变化不同。在小车进入螺线管的过程中磁通量增大,当小车位于螺线管前某一位置处(如图 2 中 A点),螺线管内由于磁通量增大而开始产生感应电流,在进入至某一深度(B 点)时感应电流有一个最大值,当磁铁完全进入螺线管后(C 点),磁通量的变化为零,即感应电流为零。小车从螺线管的另一561端离开时(C点),螺线管的磁通量逐渐减小,并开始产生与进入过程方向相反的感应电流,当离开至某一深度(B点)时感应电流有一个最大值,直到磁铁完全离开螺线管某一位置时(A点),磁通量的变化为零,即感应电流再次为零。本文所设计的装置很清楚地记录到两次方向相反的电流,如图 3 所示,分别对应磁铁进入螺线管与离开螺线管的状态,图2 中 C、C两点之间的时间对应小车在螺线管匀速运动的过程,所以感应线圈中电流为零。改变小车即磁铁的速度时,都能清楚地显示方向相反的电流状态,而且能清楚地显示小车在通过螺线管时的三种运动对应的感应电流的不同,因此该装置可用于法拉第电磁感应现象与楞次定律教学过程中的定性演示,实验现象直观明显,能够补充常规电磁感应装置只能定性演示,不能展示具体运动过程的不足。图 2 实验过程演示图图 3 弱电流采集程序采集结果显示图实验通过在磁铁上方加装栅状木片的方式,使光电门连续记录到多个时间数据,以栅状木板各个木片通过光电门时间的平均值计算小车的速度,减小实验误差。将弱电流模块采集到的峰值电流、平均时间与计算所得的小车速度记录于表 1。其中小车的速度试算方法为:v=d木片tave(4)式中,d=0.009 m,为每格木片的宽度。由于弱电流测量模块在自动采集模式之下,只能做到每秒测量四个电流值,导致当小车速度超过一定限度时,无法记录到电流峰值。经过反复实验对比,我们统计得出测量的感应电流的范围不能超表 1 电流 I、时间 t、小车运动速度 V 数据记录表序号I/At/sV/(m/s)10.000 110380.236 84220.000 107410.219 51230.000 107420.214 28640.000 107420.214 28650.000 104450.200 00060.000 101460.195 65270.000 101460.195 65289.91E-05460.195 65299.77E-05530.169 811109.30E-05470.191 489119.21E-05590.152 542128.75E-05610.147 541138.65E-05580.155 172148.42E-05600.150 000158.30E-05720.125 000168.27E-05590.152 542178.27E-05580.155 172188.19E-05610.147 541197.63E-05680.132 353206.98E-05790.113 924216.64E-05970.092 784225.98E-051050.085 714235.89E-051140.078 947245.70E-051430.062 937255.23E-052020.044 554过 0.001 A。对电流与速度进行拟合,绘制散点图得出电流与速度的函数曲线如图 4 所示。从图 4 可以看出线圈的感应电流与小车的运动速度正比例关系,即 I电流V 速度,由于对于同一螺线管其电阻 R为一定值,根据感应电动势=IR,可知感应电动势 正比于小车的速度 V(即 V速度)。同时对于一定距离,小车的运动速度 V 反比与小车的运行时间t,则 1/t。通过此内容从而定量验证了法拉第电磁感应定律。图 4 小车速度 V 与线圈感应电流 I 关系图(下转第 171 页)661 高志刚,等:气动挤压式 3D 生物打印机搭建与应用中活细胞和死细胞的数量,结果显示细胞的存活率 95%以上,表明搭建的气动式生物打印机具有打印活细胞的功能,可应用于三维细胞支架或三维组织的构建中。5 结语本文初步搭建了气动控制的挤压式生物打印机,该机可精准控制生物墨水挤出量、可温控生物墨盒和成型平台、可微调成型平台的高度、可无菌操作,适用于打印的生物材料种类多,能够满足生物打印要求,有广泛的应用前景。但同时该设备也存在一些不足,如气动控制存在延迟性,在打印初始阶段,导致成型平台上打印路径的缺失,三维结构不完整,喷嘴是尺寸单一,分辨率较低等问题。期望在接下来的工作中,能够很好地解决上述问题,开发出更加低廉的生物打印机,应用到实验教学中。参考文献(References):1 石静,钟玉敏.组织工程中 3D 生物打印技术的应用J.中国组织工程研究,2014,18(2):271-276.2 王雪欣,张明谏,李小兵,等.3D 生物打印在组织/器官类似物制造领域的应用J.中国组织工程研究,2018,22(10):1611-1617.3Derby B.Printing and prototyping of tissues and scaffoldsJ.Science,2012,338(6109):921-926.4 周青青.基于细胞 3D 打印技术的药物肝毒性模型研究D.杭州:杭州电子科技大学,2016.5 张小翠,陈鹏.3D 生物打印技术及其在组织工程中的应用J.临床与病理杂志,2017,37(7):1496-1499.6 Vaidya M.Startups tout commercially 3D-printed tissue for drug screeningJ.Nature Medicine,2015,21(1):2-4.7 Choudhury D.,Anand S.,Naing M.W.The arrival of commer-cial bioprinters-Towards 3D bioprinting revolutionJ.Interna-tional Journal of Bioprinting,2018,4(2):139.8 张一帆,张佳颖,徐铭恩,等.基于同轴细胞打印双网络生物墨水优化及类血管支架的打印J.中国组织工程研究,2020,24(22):3553-3558.9 Pereira R.F.,Bartolo P.J.3D bioprinting of photocrosslinkable hydrogel constructs J.Journal of Applied Polymer Science,2015,132(48):42458.10 Park J.Y.,Ryu H.,Lee B.,et al.Development of a function-al airway-on-a-chip by 3D cell printingJ.Biofabrication,2018,11(1):015002.11 Das S.,Kim S.,Choi Y.,et al.Decellularized extracellular ma-trixbioinks and the external stimuli to enhance cardiac tissue devel-opment in vitroJ.Acta Biomaterialia,2019(95):188-200.12 Bhise N.S.,Manoharan V.,Massa S.,et al.A 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