【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
