[科普中國(guó)]-電磁阻尼

電磁阻尼指的是當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流會(huì)使導(dǎo)體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)的這種現(xiàn)象。電磁阻尼現(xiàn)象源于電磁感應(yīng)原理。

宏觀現(xiàn)象即為：當(dāng)閉合導(dǎo)體與磁極發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩者之間會(huì)產(chǎn)生電磁阻力，阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這一現(xiàn)象可以用楞次定律解釋：閉合導(dǎo)體與磁極發(fā)生切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于閉合導(dǎo)體所穿透的磁通量發(fā)生變化，閉合導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，或者叫動(dòng)生電流。這一電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)阻礙兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。其阻力大小正比于磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度等物理量。

定義在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。若線圈的外電路閉合，則在線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。磁場(chǎng)對(duì)感應(yīng)電流將產(chǎn)生安培力，形成與原來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的力偶矩，對(duì)線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)起阻尼作用。下列兩種方法，分別演示短路線接上后，對(duì)靈敏電流計(jì)和電動(dòng)機(jī)的電磁阻尼效果。1

電磁阻尼現(xiàn)象廣泛應(yīng)用于需要穩(wěn)定摩擦力以及制動(dòng)力的場(chǎng)合，例如電度表、電磁制動(dòng)機(jī)械，甚至磁懸浮列車等。1

為了簡(jiǎn)單可靠地增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抑制轉(zhuǎn)子的共振峰值．提出了一種新型的被動(dòng)式電磁阻尼器．它的結(jié)構(gòu)類似于電磁軸承．但無(wú)需閉環(huán)控制，采用直流電工作。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，電磁阻尼器線圈內(nèi)由于轉(zhuǎn)子渦動(dòng)時(shí)變化的磁場(chǎng)而產(chǎn)生的波動(dòng)電流與轉(zhuǎn)子位移間的相位差是產(chǎn)生阻尼的原因，推導(dǎo)了波動(dòng)電流、阻尼系數(shù)的計(jì)算公式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該阻尼器提供的阻尼能夠有效地抑制共振振幅。1

驗(yàn)證電磁阻尼操作驗(yàn)證方法一目的：演示靈敏電流計(jì)的短路保護(hù)。2

器材：靈敏電流計(jì)，導(dǎo)線等。2

(1)將靈敏電流計(jì)搖動(dòng)后，使指針有較大的擺動(dòng)幅度。停止搖動(dòng)后，可觀察指一針要擺動(dòng)多次，經(jīng)一定時(shí)間才能停止下來(lái)。2

(2)再次搖動(dòng)靈敏電流計(jì)，使其有較大的擺幅。立即在兩個(gè)接線柱上接上一根導(dǎo)線(短路線)，可發(fā)現(xiàn)指針擺幅迅速減小，比不連短路線時(shí)擺動(dòng)的時(shí)間短得多。這是由于與指針相連的線圈在磁場(chǎng)中擺動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了感應(yīng)電流，線圈受到安培力形成的阻力矩的作用，使指針擺幅迅速衰減。這樣能起到阻尼保護(hù)的作用。2

(3)再搖動(dòng)已連上短路線的靈敏電流計(jì)，可見指針擺動(dòng)幅度很小，且迅速停下。理由同操作(2)。2

說(shuō)明

(1)通常JD409或JD409-1型靈敏電流計(jì)的阻尼時(shí)間小于4S，因?yàn)榇朔N靈敏電流計(jì)的動(dòng)圈鋁框是閉合的，已有一定的阻尼作用。所以本演示中最好采用老式的靈敏電流計(jì)(內(nèi)部動(dòng)圈鋁框是不閉合的)，演示短路阻尼效果更好。2

(2)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明靈敏電流計(jì)不用時(shí)，應(yīng)在兩接線柱上加上短路線，以達(dá)到阻尼保護(hù)的作用。防止在搬動(dòng)或運(yùn)輸過(guò)程中，電流計(jì)受到振動(dòng)，指針振幅過(guò)大而被撞彎或軸尖脫落等情況。2

驗(yàn)證方法二目的：演示電動(dòng)機(jī)的短路制動(dòng)方法。2

器材：玩具電機(jī)，單刀雙位開關(guān)，干電池，導(dǎo)線等。2

(1)將玩具電動(dòng)機(jī)、兩節(jié)干電池、單刀雙位開關(guān)用導(dǎo)線連接如圖。2

(2)將單刀雙位開關(guān)扳到a，電動(dòng)機(jī)即高速轉(zhuǎn)動(dòng)。切斷電源，可見電動(dòng)機(jī)斷電后，仍能較長(zhǎng)時(shí)間保持轉(zhuǎn)動(dòng)。記下從切斷電源到完全停轉(zhuǎn)的時(shí)間。2

(3)再次將開關(guān)扳到a，電動(dòng)機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)后，即將單刀雙位開關(guān)扳到b。發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)會(huì)迅速停止轉(zhuǎn)動(dòng)。與操作(2)形成明顯對(duì)比。這是因?yàn)橐呀?jīng)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，在切斷供電后，仍在磁場(chǎng)中高速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。若這時(shí)將外電路閉合(如開關(guān)打到b)，在電路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這時(shí)相當(dāng)于一個(gè)發(fā)電機(jī)。具有感應(yīng)電流的轉(zhuǎn)子線圈，受到安培力力偶矩的制動(dòng)作用，會(huì)使轉(zhuǎn)動(dòng)迅速停止下來(lái)。故這時(shí)電動(dòng)機(jī)外部的短路線起到了對(duì)轉(zhuǎn)子的電磁阻尼作用。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所