一种旋转磁场实验装置的制作方法

本发明属于电磁学实验设备领域，具体地说是一种旋转磁场实验装置。

背景技术：

运动电荷在磁场中所受的力叫做洛伦兹力，在普通高中教育的洛伦兹力物理实验中，电动机的单组绕组线圈在旋转至与磁场垂直时受到洛伦兹力的沿运动方向的分力为零，此时仅靠惯性使单组绕组线圈继续旋转，为解决这个问题，研究者提出了了多组绕组线圈均匀分布，使多组绕组线圈在旋转时一直都有力的加持，绕组线圈越多，旋转时电机的输出轴受到的力越均衡，电机的输出轴的输出扭矩越平稳，为了更好的进行洛伦兹力实验的操作与观察，更好的将实验现象与结果呈现给学生，现设计一种旋转磁场实验装置。

技术实现要素：

本发明提供一种旋转磁场实验装置，用以解决现有技术中的缺陷。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种旋转磁场实验装置，包括底座，底座前后左右侧分别固定安装有竖杆，底座左右侧的竖杆内侧壁中部分别固定安装有正负极磁铁，底座顶部设有圆环套，圆环套通过倒置的l形连杆与底座连接，圆环套的内圆中部设有插接环套，插接环套由数量为２ｎ个的扇环块环绕组成，ｎ为大于一的正整数，扇环块中部均开设上下方向的第一圆形通孔，相邻的扇环块的相邻面上均开设有上下方向的半圆形凹槽，插接环套中部套设有竖直的绝缘轴，绝缘轴侧面与扇环块内圆面均固定连接，绝缘轴底部与底座顶面转动连接，圆环套内侧以圆心对称设有一对碳刷，碳刷与插接环套外侧壁接触配合，所有的竖杆的顶部固定安装有同一块水平的圆形板，圆形板中部开设第二圆形通孔，圆形板顶面叠放有若干中心开圆孔的纸张，绝缘杆顶部穿过第二圆形通孔且固定安装有方形块，方形块上方设有圆柱块，圆柱块底部对应方形块开有方形盲孔，方形盲孔与方形块插接配合，圆柱块的侧面固定安装有活动杆朝外的第一弹性伸缩杆，第一弹性伸缩杆的活动杆上固定安装有轴套，轴套下侧面固定安装有活动杆朝下的第二弹性伸缩杆，第二弹性伸缩杆的活动杆底部固定安装有笔尖朝下的笔，笔的笔尖压在纸张上；还包括若干导体块，导体块能够插入相邻扇环块的相邻面的半圆形凹槽中；还包括若干绕组线圈，绕组线圈下部接头可插入沿插接环套的中心轴线对称第一圆形通孔中或半圆形凹槽中。

如上所述的一种旋转磁场实验装置，所述的圆环套左右侧内侧壁中部均开设第三导向通孔，第三导向通孔内均设有梯形滑块，梯形滑块的外侧壁为上部向圆环套轴线倾斜的t形斜面，梯形滑块内侧壁均与对应碳刷外侧壁固定连接，圆环套左右侧外侧壁均开沿上下方向的第一滑槽，底座顶部左右侧均设有沿圆环套的中心轴线对称的倒置的l形连杆，倒置的l形连杆的竖杆下端均与底座固定连接，倒置的l形连杆的横杆内侧均开设第二滑槽，第二滑槽的内侧面为上部向圆环套的中心轴线方向倾斜的斜面，第二滑槽内侧面均开设有沿第二滑槽内侧面长度方向的t形凹槽，梯形滑块的外侧面与t形凹槽配合安装，倒置的l形连杆的横杆内侧壁均与第一滑槽外侧壁接触配合，倒置的l形连杆的横杆顶部内侧均与对应第一滑槽的顶部通过弹簧连接。

如上所述的一种旋转磁场实验装置，所述的绕组线圈主体沿插接环套的中心轴线对称。

如上所述的一种旋转磁场实验装置，所述的绕组线圈包括圆形插头、硬质的c字形导线、环形圈，位于绕组线圈底部左右侧的圆形插头分别能够插入沿绝缘轴的中心轴线对称的第一圆形通孔中或半圆形凹槽中，圆形插头顶部分别与左右两侧的c字形导线底部固定连接，c字形导线顶部分别与环形圈左右两侧固定连接，环形圈为导体材质，且环形圈外侧壁均做绝缘处理，绝缘杆中部穿过绕组线圈顶部中部的环形圈。

如上所述的一种旋转磁场实验装置，所述的导体块包括圆柱体块、连接片、拉环，圆柱体块侧面对称固定安装有连接片，圆柱体块顶部固定连接有拉环。

本发明的优点是：使用本装置进行实验时，可通过数量为m组的绕组线圈进行对比实验，m为小于等于n的正整数，例如：选择单组绕组线圈实验时，先将２n数量的扇环块均分为二等份，且每一份的扇环块相邻，所有的第一圆形通孔和相邻扇环块相邻面上的两个半圆形凹槽均视为一个插接单位，将单组绕组线圈的下部接头分别插入每等份扇环块的最中间的插接单位内，再将导体块插入每等份中相邻的扇环块的相邻面的半圆形凹槽中；同理，选择m组绕组线圈实验时，先将２n数量的扇环块均分为m等份，且每一份的扇环块均相邻，所有的第一圆形通孔和相邻扇环块相邻面上的两个半圆形凹槽均视为一个插接单位，将m组绕组线圈的下部接头分别插入每等份扇环块的最中间的插接单位内，再将导体块插入每等份扇环块的内部的半圆形凹槽中，如果每等份扇环块的内部没有半圆形凹槽时即不用插入导体块，将碳刷分别连通电源正负极，从而绕组线圈通电并在正负极磁铁的磁场中受到洛伦兹力作用从而进行旋转运动，插接环套、绝缘轴、圆柱块、方形块、第一弹性伸缩杆、轴套、第二弹性伸缩杆和笔均随绕组线圈进行旋转运动，因为绕组线圈通恒定电流后在等磁场中受到方向与大小恒定的洛伦兹力，将洛伦兹力做力的分解，其中一个分力为沿运动方向的力，随着绕组线圈转动，绕组线圈所在平面与磁场方向夹角不断变化，绕组线圈受到的洛伦兹力在绕组线圈运动方向上的分力不断减小，直至绕组线圈所在平面垂直于磁场时，洛伦兹力在绕组线圈运动方向上的分力减小至零，受力的影响此时绕组线圈转速一直发生变化，第一弹性伸缩杆的活动杆随转速变化受到不同的离心力，转速越快，受到离心力越大，第一弹性伸缩杆的活动杆克服内部弹力后伸出越长，第二弹性伸缩杆的活动杆因为弹性作用将笔的笔尖抵在纸张上，绕绝缘轴旋转的笔在纸张上会画出若干段相连的波浪线，波浪线上的点距离纸张中心圆孔距离越远则表示该点对应位置时的绕组线圈转速越大，插接单组绕组线圈时画出的两段波浪线接近椭圆，有两个波峰，如图７所示；插接绕组线圈越多，则画出的单段波浪线越短且总体分布越密集，有２m个波峰，形状越接近于圆，如图８所示；本发明结构巧妙、设计合理，将直流电动机在单组绕组线圈旋转至与磁场垂直时受到洛伦兹力沿运动方向上的分力为零这一现象通过转速、离心力为媒介，以笔画的方式清楚的呈现给实验者，同时还提供了灵活可变的插接环套结构，笔画出的一个完整的封闭线条的波浪的段数越多证明绝缘轴的输出扭矩越连续稳定，可以推导出完整的封闭波浪形线条接近圆形时绝缘轴的输出扭矩是连续稳定状态，通过不同数量的绕组线圈的对比实验可以让学生更好的理解直流电机的扭矩输出稳定性与绕组线圈数量之间的关系，本发明可以以一套装置完成不同组数的绕组线圈运行的对比实验，将洛伦兹力实验与直流电机不同数量绕组线圈的扭矩输出平稳性进行巧妙的结合，便于实验者操作与观察，便于将实验结果呈现给实验者。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；图2为图1的a向视图；图3为图1的i部放大图；图4为图1的ii部放大图；图5为导体块的主视图；图6为导体块的俯视图；图7为单组绕组线圈实验的纸张上的第一波浪线轨迹示意图；图8为m组绕组线圈实验的纸张上的第二波浪线轨迹示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种旋转磁场实验装置，如图所示，包括底座1，底座1前后左右侧分别固定安装有竖杆2，底座1左右侧的竖杆2内侧壁中部分别固定安装有正负极磁铁3，底座1顶部设有圆环套4，圆环套4通过倒置的l形连杆26与底座1连接，圆环套4的内圆中部设有插接环套5，插接环套5由数量为２ｎ个的扇环块6环绕组成，ｎ为大于一的正整数，扇环块6中部均开设上下方向的第一圆形通孔7，相邻的扇环块6的相邻面上均开设有上下方向的半圆形凹槽8，插接环套5中部套设有竖直的绝缘轴9，绝缘轴9侧面与扇环块5内圆面均固定连接，绝缘轴9底部与底座1顶面转动连接，圆环套3内侧以圆心对称设有一对碳刷10，碳刷10与插接环套4外侧壁接触配合，所有的竖杆2的顶部固定安装有同一块水平的圆形板11，圆形板11中部开设第二圆形通孔12，圆形板11顶面叠放有若干中心开圆孔的纸张13，绝缘杆9顶部穿过第二圆形通孔12且固定安装有方形块21，方形块21上方设有圆柱块14，圆柱块14底部对应方形块21开有方形盲孔22，方形盲孔22与方形块21插接配合，圆柱块14的侧面固定安装有活动杆朝外的第一弹性伸缩杆15，第一弹性伸缩杆15的活动杆上固定安装有轴套16，轴套16下侧面固定安装有活动杆朝下的第二弹性伸缩杆17，第二弹性伸缩杆17的活动杆底部固定安装有笔尖朝下的笔18，笔18的笔尖压在纸张13上；还包括若干导体块19，导体块19能够插入相邻扇环块6的相邻面的半圆形凹槽8中；还包括若干绕组线圈20，绕组线圈20下部接头可插入沿插接环套5的中心轴线对称第一圆形通孔7中或半圆形凹槽8中。使用本装置进行实验时，可通过数量为m组的绕组线圈进行对比实验，m为小于等于n的正整数，例如：选择单组绕组线圈实验时，先将２n数量的扇环块6均分为二等份，且每一份的扇环块6相邻，所有的第一圆形通孔7和相邻扇环块6相邻面上的两个半圆形凹槽8均视为一个插接单位，将单组绕组线圈20的下部接头分别插入每等份扇环块6的最中间的插接单位内，再将导体块19插入每等份中相邻的扇环块6的相邻面的半圆形凹槽8中；同理，选择m组绕组线圈实验时，先将２n数量的扇环块6均分为m等份，且每一份的扇环块6均相邻，所有的第一圆形通孔7和相邻扇环块6相邻面上的两个半圆形凹槽8均视为一个插接单位，将m组绕组线圈20的下部接头分别插入每等份扇环块6的最中间的插接单位内，再将导体块19插入每等份扇环块6的内部的半圆形凹槽8中，如果每等份扇环块6的内部没有半圆形凹槽8时即不用插入导体块19，将碳刷10分别连通电源正负极，从而绕组线圈20通电并在正负极磁铁3的磁场中受到洛伦兹力作用从而进行旋转运动，插接环套5、绝缘轴9、圆柱块14、方形块21、第一弹性伸缩杆15、轴套16、第二弹性伸缩杆17和笔18均随绕组线圈20进行旋转运动，因为绕组线圈20通恒定电流后在等磁场中受到方向与大小恒定的洛伦兹力，将洛伦兹力做力的分解，其中一个分力为沿运动方向的力，随着绕组线圈20转动，绕组线圈20所在平面与磁场方向夹角不断变化，绕组线圈20受到的洛伦兹力在绕组线圈20运动方向上的分力不断减小，直至绕组线圈20所在平面垂直于磁场时，洛伦兹力在绕组线圈20运动方向上的分力减小至零，受力的影响此时绕组线圈20转速一直发生变化，第一弹性伸缩杆15的活动杆随转速变化受到不同的离心力，转速越快，受到离心力越大，第一弹性伸缩杆15的活动杆克服内部弹力后伸出越长，第二弹性伸缩杆17的活动杆因为弹性作用将笔18的笔尖抵在纸张13上，绕绝缘轴9旋转的笔18在纸张13上会画出若干段相连的波浪线，波浪线上的点距离纸张13中心圆孔距离越远则表示该点对应位置时的绕组线圈20转速越大，插接单组绕组线圈20时画出的两段波浪线接近椭圆，有两个波峰，如图７所示；插接绕组线圈20越多，则画出的单段波浪线越短且总体分布越密集，有２m个波峰，形状越接近于圆，如图８所示；本发明结构巧妙、设计合理，将直流电动机在单组绕组线圈旋转至与磁场垂直时受到洛伦兹力沿运动方向上的分力为零这一现象通过转速、离心力为媒介，以笔画的方式清楚的呈现给实验者，同时还提供了灵活可变的插接环套5结构，笔画出的一个完整的封闭线条的波浪的段数越多证明绝缘轴的输出扭矩越连续稳定，可以推导出完整的封闭波浪形线条接近圆形时绝缘轴的输出扭矩是连续稳定状态，通过不同数量的绕组线圈20的对比实验可以让学生更好的理解直流电机的扭矩输出稳定性与绕组线圈数量之间的关系，本发明可以以一套装置完成不同组数的绕组线圈运行的对比实验，将洛伦兹力实验与直流电机不同数量绕组线圈的扭矩输出平稳性进行巧妙的结合，便于实验者操作与观察，便于将实验结果呈现给实验者。

具体而言，如图所示，本实施例所述的圆环套4左右侧内侧壁中部均开设第三导向通孔23，第三导向通孔23内均设有梯形滑块24，梯形滑块24的外侧壁为上部向圆环套4轴线倾斜的t形斜面，梯形滑块24内侧壁均与对应碳刷10外侧壁固定连接，圆环套4左右侧外侧壁均开沿上下方向的第一滑槽25，底座1顶部左右侧均设有沿圆环套4的中心轴线对称的倒置的l形连杆26，倒置的l形连杆26的竖杆下端均与底座1固定连接，倒置的l形连杆26的横杆内侧均开设第二滑槽27，第二滑槽27的内侧面为上部向圆环套4的中心轴线方向倾斜的斜面，第二滑槽27内侧面均开设有沿第二滑槽27内侧面长度方向的t形凹槽28，梯形滑块24的外侧面与t形凹槽28配合安装，倒置的l形连杆26的横杆内侧壁均与第一滑槽25外侧壁接触配合，倒置的l形连杆26的横杆顶部内侧均与对应第一滑槽25的顶部通过弹簧29连接。在使用该装置进行实验时，将圆环套4向下压动，梯形滑块24向下运动，由于t形凹槽28的限位作用，梯形滑块24会随t形凹槽28向外侧移动，碳刷10跟随梯形滑块24向外侧移动从而脱离插接环套5，起到随时断电作用，便于更换导体块19与绕组线圈20，更换完成后松开圆环套24，圆环套24在弹簧29的作用下复位，以便通电继续实验。

具体的，如图所示，本实施例所述的绕组线圈20主体沿插接环套5的中心轴线对称。在旋转时，使绕组线圈20两侧受到的力大小相同，对绕组线圈20有防止弯折的作用，还具有便于准确得出实验结果作用。

进一步的，如图所示，本实施例所述的绕组线圈20包括圆形插头201、硬质的c字形导线202、环形圈203，位于绕组线圈20底部左右侧的圆形插头201分别能够插入沿绝缘轴9的中心轴线对称的第一圆形通孔7中或半圆形凹槽8中，圆形插头201顶部分别与左右两侧的c字形导线202底部固定连接，c字形导线202顶部分别与环形圈203左右两侧固定连接，环形圈203为导体材质，且环形圈203外侧壁均做绝缘处理，绝缘杆9中部穿过绕组线圈20顶部中部的环形圈203。绕组线圈20构成导电回路，通电后在磁场中能产生洛伦兹力，圆形插头201能适配第一圆形通孔7中或两个半圆形凹槽8，插入后不易松动脱落，环形圈203外侧壁绝缘处理能够使多组绕组线圈20的环形圈203叠加时导体部分不会接触导电，绝缘杆9穿过环形圈203还能为绕组线圈20提供导向作用。

更进一步的，如图所示，本实施例所述的导体块19包括圆柱体块191、连接片192、拉环193，圆柱体块191侧面对称固定安装有连接片192，圆柱体块191顶部固定连接有拉环193。圆柱体块191侧壁能与相邻的扇环块6相邻面上的半圆形凹槽8侧壁接触配合，使插接稳定，连接片192能与相邻的扇环块6之间的间隙适配，使插接环套5在旋转过程中，导体块19不易松动脱落，拉环193便于实验者插入或取出导体块19。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

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