实验答辩论文-磁体与金属的电磁阻尼现象分析

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中国矿业大学理学院 实验论文

磁体与金属的电磁阻尼现象分析

耿瑞东、穆宇豪、王庆宇

中国矿业大学 理学院

在磁场中转动的线圈，会产生感应电动势。若线圈的外电路闭合，则在线圈中会产生感应电流。磁场对感应电流将产生安培力，形成与原来转动方向相反的力偶矩，对线圈的转动起阻尼作用，这就是简单的电磁阻尼现象。通过简单模型对实验展示仪器进行定性，定量分析，在有趣的现象中发掘物理原理。

1、 引言

在实验室里，我们看到这样一台仪器：在三个金属柱壮管上分别套有一个环，两个有金属光泽一个为塑料材质。其中一个金属环侧面有裂缝，并不是完全的环绕金属管。将三个环分别挪到最上端，然后松手任其自由落下，我们会发现三个环下落的速度并不相同。完整的金属环下落最慢，有裂缝的次之，塑料环下落最快。这个装置让我想起了科技馆中常见的表演，在竖直放置的空心铝管中，从上端放入一圆柱形磁体，结果在没有什么摩擦的情况下磁体缓慢落下，而在有裂缝的铝管中下落就变快了。这是为什么呢？

在高中物理学课本上，我们依据楞次定律、电磁感应、右手定则等基本原理可以简单地来做出定性分析：在磁性很强的圆柱形磁体下落的过程中，没有缺口的铝管中的磁通量发生变化（磁体上方铝管的磁通量减小，下方铝管的磁通量增大），所以铝管中将产生感应电流，感应电流的磁场将对下落的磁体产生阻力作用，磁体在铝管中缓慢下落；如果磁体在有缺口的铝管中下落，尽管铝管中也会产生感应电流，感应电流的磁场将对下落的磁体也产生阻力，但这时的阻力非常小，所以磁体在铝管中下落得比较快。但是，这只是在管子相对于磁体比较短的情况下，但当管子相对于磁体足够长时，随着磁体加速下落，磁通量变化也越来越快，阻力也越来越强，磁体下落到管子一定深度后，上下方铝管的磁通量都可视为不变。这时，结果应该是什么样的呢。对此，我们还要进一步分析情况。

2、对磁极轴向分布的强磁体下落现象的解释

管子较长时，磁铁在管中下落一定距离后，磁铁上、下方的磁通量均可以视为不变，根据法拉第电磁感应定律，管内的总电动势为零，管内的涡流是怎样形成的呢？



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若将磁体看成不动，管子相对于磁体向上运动，由于存在磁感应强度沿半径方向的分量，管子的每一部分都可以看作闭合线圈。当磁体下落时，管子在做切割磁感线运动，由右手定则可以得出，磁铁上下管子中的涡流方向相反。从图中可以看出，磁铁上半部分管中的涡流相当于上面是N级，下面是S级的磁体；磁铁下半部分管中的涡流相当于上面是S级，下面是N级的磁体。





根据上述分析可知，由于管子的涡流对圆柱形磁体的作用是“上拉下顶”，所以形成对其运动过程的阻力。

3、磁铁在有裂缝的铝管中下落较快的原因分析

由于管子整体相对于磁体做切割磁感线运动，关于磁体上下对称处的管子中的感应电动势大小相同、方向相反，通过裂口处形成闭合回路。由于裂口表面薄层的电阻较大，磁铁与管子的相对速度较小时，感应电流较弱，所以涡流反作用于磁极的电磁力较弱。要使涡流反作用于磁极的电磁力等于磁铁的重力，磁体必须以较快的速度下落。简单的说，就是回路的电阻变大，要达到和无裂口的管子相同的涡流，必需要增大电动势，即增大管子与磁体的相 对运动速度。

磁体下落方向

4、实验设计与检验

为了验证我们的理论推断，可以根据简单的受力分析来验证磁体在管子中的下落运动情况。力的作用是相互的，在磁体加速下落的过程中，感应电流愈大产生的电磁阻力愈强，磁体对管子的作用力增大。在磁体匀速下落时，受力平衡，电磁阻力约等于磁体所受的重力。由此，我们可以根据管子的受力，间接得出磁体的运动情况。

实验准备：弹簧测力计，足够长的铝管，圆柱形强磁体

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