【浙江大學】電磁力實驗裝置
功能作用介紹：
由浙江大學電工電子基礎教學中心電磁場課程組自主設計，并委托浙江大學求是公司加工，電磁力實驗裝置于2014年年初完成設計定型與制造。該實驗裝置隨后投入到浙江大學“工程電磁場與波”的實驗教學中，深得學生喜愛。在知識點掌握和學生實踐動手能力兩方面教學要求相結合的背景下，適應當今對電氣信息類高素質學生培養的深度和廣度上的需求。
本實驗裝置構造了環形載流線圈與鐵磁平板系統、基于鏡像法，與原型等效的載流磁系統、盤式電磁鐵應用系統三種磁系統。引導學生應用已具備的電磁場知識，以及所引伸的電磁場數值計算、工程應用軟件的仿真分析手段，對這些磁系統的場分布及電磁力等進行實測、解析計算和仿真數值計算。并將這三種方法所得到的結果用來進行相互印證和對比的專題研究。從而使學生不僅加深理解和掌握電磁場分析計算(場分布、參數、能量和力)各知識點，而且在運用工程分析的觀點的能力基礎上，確立基于磁場鏡像法所得的具有工程分析計算精度、簡明通用的理論分析計算平臺。
本實驗裝置構造的三種磁系統簡要介紹如下：
1.環形載流線圈與鐵磁平板系統
本系統主要由一環形載流線圈(內外半徑分別為r1 = 5.0 cm、r2 = 5.6 cm，線圈高度為D = 2.0 cm)與一半徑為R = 12.0 cm，厚度為d = 0.4 cm的圓形鐵磁平板組成。其原理為在給定某一h(環形載流線圈中平面與鐵磁平板上表面之間的距離)下，載流線圈通以直流激勵，要求測量位于對稱軸的上半空間和鐵磁平板表面徑向的磁場分布。還要求改變電流大小，測量載流線圈對鐵磁平板的吸引力。因此實驗裝置還配有直流穩壓電源，測量磁場的兩種不同形式探頭的高斯計以及測力所需的電子秤。線圈與鐵磁平板之間的距離，由傘形齒輪和渦輪蝸桿構造的機械結構，通過位于裝置右側搖桿上下調節線圈的位置，并借助標尺來定位。為了保證實驗研究的單一中心線的垂直度，利用一水平儀，通過調節該裝置底腳螺絲，以及電子秤的底腳螺絲，來保證圓形鐵磁平板、支承圓筒和電子秤三合一系統的單一軸線之垂直度。
2.對應于1所描述的磁系統，鏡像法所采用的載流系統
對應與1所描述的本實驗構造的環形載流線圈與鐵磁平板系統。若采用理想化假設：圓形鐵磁平板半徑R >> h、r1和r2(理論上應令R→ ∞)，且設鐵磁平板磁導率? → ∞時，則就其上半空間呈軸對稱特征的磁場分布而言，可將1所描述的磁系統近似為環形載流線圈與無限大鐵磁平板所構成的磁系統。從而，即可簡捷地應用鏡像法，求其上半空間磁感應強度分布的解析解。換句話說，基于磁場鏡像法的應用，1所描述磁系統上半空間中待求磁場分布，應等同于如下所描述載流系統上半空間中的磁場分布
該系統主要由兩個相同的環形載流線圈(內外半徑分別為r1 = 5.0 cm、r2 = 5.6 cm，線圈高度為D = 2.0 cm)組成。其原理為兩環形載流線圈中平面之間的距離H是1所描述系統中環形載流線圈中平面與鐵磁平板上表面之間的距離的兩倍，即H = 2h。兩載流線圈通以同樣大小的直流激勵，且要求電流環形方向相同，也要求測量磁場分布和電磁力。因該系統是1所描述系統的等效載流系統，故所測量結果在誤差范圍之下是一致的，從而讓“鏡像法”原理由實驗直觀、形象地展示。為滿足邊界條件，通過鏡像載流線圈位置及其載流方向的確定，實驗使學生對理論有了清晰的理解。此外，線性系統疊加原理的應用，實驗與講授知識點緊密關聯，進一步加深了鏡像法、疊加原理應用的理解。
3.盤式電磁鐵應用系統
本系統主要由嵌入一環形載流線圈(內外半徑分別為r1 = 5.0 cm、r2 = 5.6 cm，線圈高度為D = 2.0 cm)的盤式電磁鐵與一半徑為R = 12.0 cm，厚度為d = 1.25 cm的圓形鐵磁平板組成。盤式電磁鐵的外半徑為 r3 = 7.8 cm，高度為W = 3.8cm。其原理為在給定某一H(環形載流線圈下表面與鐵磁平板上表面之間的距離)下，載流線圈通以直流激勵，要求測量鐵磁平板表面徑向的磁場分布，以及改變電流大小，測量盤式電磁鐵對鐵磁平板的吸引力。在本實驗中，通過盤式電磁鐵應用系統的構建，“場空間”的概念被具體化為鐵磁材料的應用實際，而盤式電磁鐵作用于鐵磁平板的電磁力對比于1所描述線性磁系統中環形載流線圈作用于鐵磁平板的電磁引力，因鐵磁材料的引入，極大地增強了電磁力效應，從而增進了學生對工程上廣泛應用鐵磁材料的工程意義及其價值之理解，并進而深化了“高能量密度”、“優化設計”等工程用語的體會。
作品名稱：電磁力實驗裝置
完成單位：浙江大學電工電子實驗教學中心
