细磁针在磁场中定轴转动的受力分析-论文.pdf

《细磁针在磁场中定轴转动的受力分析-论文.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、第30卷第10期甘肃科技％Z．3OⅣ0．102014年5月GansuScienceandTechno1May．2014细磁针在磁场中定轴转动的受力分析林建军(河北工业大学土木工程学院，天津300401)摘要：利用磁荷理论对铁磁性材料的细磁针在匀强磁场中的定轴转动过程进行了分析，总结了细磁针在运动过程中的磁场力计算公式和角速度简化模型，进一步通过试验验证了模型的合理性。研究表明，细磁针在某一位置处的转动角速度与磁场强度、材料相对磁导率成正比，与磁针的长度和密度成反比。关键词：细磁针；磁场力；定轴转动；角速度模型中图分类号：TM153．3人们对于磁现象的探讨最早是从磁体开始的，q=S·=S·J(

2、2)早期的研究发现在磁体两端具有正、负相反的磁极，式中：S——磁针两端的截面积；并且磁极间同号相斥、异号相吸。而细铁针在经过——两端磁荷的面密度；外界磁场磁化后，表现出同样的性质，于是，人们结卜_磁针的磁极化强度。合电场的相关知识，提出了电磁学的磁荷理论，对磁已知，磁针两端的磁极化强度公式：现象进行了合理的解释。磁荷理论-1认为：磁体内J=／x0·M(3)的最小单元为磁偶极子，在磁针未磁化时，各个磁偶式中：一磁针的磁化强度；极子的取向杂乱无章，它们之间磁偶极矩的作用相o——真空磁导率，4仃×10～T·m／A。研究互抵消，磁针整体不表现出磁性。当磁针受到外界认为[3铁磁性材料的磁化强度并不是一

3、固定值，它的磁场作用后，体内的所有磁偶极子沿一定方向整与材料本身特性有关，还随外界磁场强度的变化而齐排列，正、负极首尾衔接，因此，仅在两端面上表现变化，图2为铁磁性材料的磁化强度随外界磁场强出磁力效应，即磁荷现象，且磁极强度的大小不随磁度的变化趋势图。针的长短而变化】。从磁荷理论出发，对细磁针的受力进行了分析和探讨。1磁力效应的推导磁荷理论认为：细磁针在两个端部具有正、负相反的等量磁荷，在外界匀强磁场的作用下，细磁针在D8。两个端面处受到大小相同，方向相反的集中力作用，并使磁针发生定轴转动。如图1所示。图2磁化强度随磁场强度的变化趋势经分析化简可知，在铁磁性导磁材料中：m：等百(4珥)式中：

4、——导磁材料的相对磁导率(》1)；——导磁材料的相对磁化率。结合公式(1)、(2)、(3)和(4)可得，细磁针两图1细磁针在匀强磁场中的受力情况极所受到的电磁力：F+F，=0Is(5)一=q·H(1)式中：匀强磁场的磁场强度；式中：匀强磁场的磁场强度；g——磁针两端磁极处的磁荷。．s——磁针两端的截面积；磁针两端的磁极强度(即磁荷)：l——导磁材料的相对磁导率。甘肃科技第3O卷由转动力矩公式可知，细磁针绕中心轴作定轴度越大，其角速度则越小，转到与磁感线平行的角度转动的力矩：所用时间越长。磁针在某一角度处的速度还受到初m=2·F1sin=／4x始角度的影响，初始角度越大，磁针在指定角度处的oH

5、2Vcosq~(6)厶角速度越小。式中：m——磁场力对中心轴的力矩；磁针的体积；3实例分析磁针长度方向与磁感线方向的夹角(如图为验证前节所推导模型的合理性，采用试验方1所示)；法对细磁针在不同强度磁场中的转动做了对比分——磁针长度方向与垂直磁感线方向的夹析。经测定，试验中所采用的磁针的密度p=l1．5角。×10kg／m，半径R=0．5X10～m，长度Z=55×10—111，相对磁导率取固定值：5000，磁针定轴转2细磁针的定轴转动动的初始角位移西=0。将可绕中心轴转动的相应细磁针在空气中运动时，由于空气阻力较小，可细磁针放人通电螺线管内，螺线管内部的磁场强度假定为细磁针在匀强磁场中的运动形式

6、如同指南针由导线的电流控制，使内部的磁场强度逐次为H=一样绕中心轴作定轴的转动运动，且仅需考虑磁场64A／m、=96A／m和=128A／m，忽略空气的阻的作用效应。已知，磁针的转动惯量为：力作用。测得磁针转过9O。到达与磁感线平行的方=警=p~1R2l·l2~plR22l3．(7)向所使用的实际时间分别为一O．95s、一O．6s和一0．4s。式中：m——磁针的质量；进一步将相应测量数据带人公式(9)中，得到：p——磁针的密度；=o．066H(1o)尺——磁针端面的半径；通过公式(1O)分别计算相应磁场强度下磁针Z——磁针的长度。在不同角度处的角速度，进一步通过数值分析方法，由转动定律m=J·

7、并结合式(6)和(7)得得到磁针从与磁感线垂直的方向出发转过90。所需到：的时间约为t】=0．65s、￡2=0．43s和t3=0．32s。R2l3lalXoH2Vc。s：~rp．．”(8)1，，如图3所示，比较不同磁场强度下理论值与试验值的相应变化趋势，可以看出，试验值和理论值能式中：——磁针转动的角加速度(=)；——磁针长度方向与垂直磁感线方向的夹够较好吻合，且转过一定角度所需时间均随着磁场强度的增加而减小