“磁悬浮”的两个实验

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我国磁悬浮列车的出现和试运行引起了青少年学生浓厚的兴趣。学生们不禁要问,列车开动起来后是怎么悬浮起来的呢?其实道理并不复杂,可以通过下面的两个简单实验来探讨磁悬浮列车悬浮起来的奥妙。

实验一

将两个磁性较强的永久磁体依次放入竖直的玻璃管内。注意:两个磁体的磁场方向必须相反放置,即N极和N极相对或S极和S极相对。如图1所示。

图4
图4 🔍原图 (425×316)

我们可以非常直观地观察到:上面的小磁体并没有叠放在下面的小磁体上,而是悬浮在半空中不掉下来。这个物理现象就是所谓的“磁悬浮”。这是因为“同性相排斥,异性相吸引”的磁场基本原理所致。这仅仅是一个实验,时间太长,上面的小磁体最终是要掉下来的,原因是磁体的“退磁”。如果要“磁悬浮”现象长时间保持下去并不难,只需给磁体及时补充能量,将永久性磁体变为电磁铁就可以做到这点。磁悬浮列车之所以能悬浮起来,是磁场足够强大的“电磁铁”的功劳。

实验二

如图2所示,在螺线管中插入一根软铁棒,将一内径比软铁棒直径稍大的铝环套在软铁棒上,然后给螺线管接上24V交流电,铝环便会悬浮在半空中不落下来。这是一种与实验一完全不同的“磁悬浮”现象,悬浮起来的不是永久性磁体,而是本身并无磁性的铝环。

图5
图5 🔍原图 (425×240)

铝环本身无磁性,为什么将这种物理现象也称之为“磁悬浮”呢?这得从楞次定律说起。“感应电流的磁场方向总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化”,螺线管通电以后,软铁棒便迅速被磁化,穿过铝环的磁通量不断变化使铝环产生了感应电流磁场,该磁场总是阻碍引起铝环感应电流的磁通量变化。铝环的感应电流磁场方向总是与软铁棒和螺线管的磁通量变化方向相反,使铝环始终受到斥力作用,便悬浮起来了。如果能保证通电螺线管有足够大的电流强度,套在软铁棒上的铜环也能像铝环一样悬浮起来。

实验参数

1. 螺线管:在11 cm长的塑料自来水管上,用直径大约0.8 mm的漆包线密绕350圈。

2. 电源:采用幻灯机24V/220V电源变压器提供电能。

3. 铝环:在小七脚电子管屏蔽罩顶部截取一段即可。

磁悬浮列车为什么能悬浮的基本原理可以从上述两个小实验得到启发,要付诸于实施还是较复杂的工程。那么怎样使悬浮起来的列车运动起来呢?我们可以参考电动机的工作原理。把电动机定子展开,由原来的旋转磁场变平动磁场,磁悬浮列车的平动问题不就解决了吗?

(苗连松)