电磁阻尼摆

电磁阻尼摆

Electromagnetic Damping Pendulum

单摆所受的阻力越小，摆动后摆动的时间就越长。很多机械仪表中，读数指针所受的阻力很小，测量时通常会在应指的位置左右摆动，这不便于读数。下面的电磁阻尼可使指针很快地稳定在应指的位置上。

导体在磁场中运动时，感应电流使导体受到安培力的作用，它总是阻碍导体的相对运动，这种现象称为电磁阻尼。用铝片做成的扇形摆片在磁场中摆动时，会在铝片上产生涡流，这时铝片所受的力会阻碍它运动，使得摆片迅速停止摆动，因此称其为电磁阻尼摆。

实验装置

实验装置如图1所示，包括直流稳压电源、电磁阻尼摆演示仪等。

图1　电磁阻尼摆实物图

图2　电磁阻尼摆结构图

图2是电磁阻尼摆演示仪的结构图，A为直流电源接线柱；B为矩形磁轭，当线圈中通有直流电源时，可在磁轭两极间产生很强的磁场；C为非阻尼摆，即开有隔槽的铝片，形同梳子；D为阻尼摆（扇形铝片）；E为电磁线圈；F为底座。

现象观察

1.线圈不通电时两摆片的运动对比

把阻尼摆和非阻尼摆分别连在摆杆上，使其在两磁轭间自由摆动，可观察到两摆摆动衰减很慢，且两摆的衰减速度基本相同。

2.线圈通电时两摆片的运动对比

给线圈通电后，再使两摆分别摆动，发现阻尼摆摆动迅速衰减并停止运动，而非阻尼摆的衰减要慢得多，对比效果极为明显。

现象解密

在磁场中运动的导体，其内部将产生感应电流，这种电流在导体内自成闭合回路，很像水的旋涡，因此称为涡电流。在线圈不通电的情况下，两摆仅受重力和杆的拉力的作用，受力情况相似，运动情况基本相同。

在线圈通电的情况下，磁轭两极间将产生磁场。阻尼摆在磁场中摆动时，其运动过程可分为三个阶段，当阻尼摆进入磁场时，通过阻尼摆的磁通量增加，从而在阻尼摆上产生涡电流，根据楞次定律，涡电流激发的磁场同磁轭两极间的磁场方向相反，阻止阻尼摆进入磁场；当阻尼摆进入磁场后，通过阻尼摆的磁通量保持不变，没有涡电流产生；当阻尼摆离开磁场后，通过它的磁通量减少，在阻尼摆上也会产生涡电流，据楞次定律，涡电流激发的磁场同磁轭两极间的磁场方向相同，阻碍阻尼摆离开磁场。因此，阻尼摆在这种阻尼力的作用下，很快停下来，这种阻尼起源于电磁感应，因此称为电磁阻尼。

对于开有隔槽的非阻尼摆，当它进入或离开磁场时，磁通量的变化仅作用于一小部分铝片，产生的涡电流很小，对摆的阻碍作用不明显。相对于阻尼摆，非阻尼摆可以摆动很长时间。

应用拓展

电磁阻尼摆现象广泛应用于需要稳定摩擦力以及制动力的场合，如使用电学测量仪表时，为了便于读数，希望指针能迅速稳定在应指的位置上而不左右摇摆。为此，一般电学测量仪表都装有阻尼器。它就是用电磁阻尼的原理来起到阻尼作用的。电磁阻尼作用还常用于电气机车的电磁制动器中，甚至磁悬浮列车等。

有些电机的转子在转动过程中会产生共振而破坏系统的稳定性，你能否利用电磁阻尼的原理有效地抑制共振振幅？

思考题

1.线圈通电后，运动中的阻尼摆能迅速停止摆动，线圈是否能长时间通电？为什么？

2.开有隔槽的非阻尼摆为什么在磁场中能长时间摆动？