Исследование силы магнитного взаимодействия

В работе было проведено исследование зависимости силы магнитного взаимодействия от количества магнитов и расстояния между взаимодействующими телами.  Исследование проводилось с помощью установки, изображенной на схеме(рис.10).

Рис.10 Схема установки для измерения магнитной силы.1-платформа,2-чашка весов,3-весы,4-винт,5-штатив

В эксперименте использовались: весы, магниты неодимовые. В опыте №1 на платформу 1 устанавливались пять магнитов, а на чашу весов 2 помещалось металлическое тело. Расстояния между магнитом и телом регулировалось винтом 4, а по показаниям весов 3 судили о силе магнитного взаимодействия. Результаты этого эксперимента представлены на график(рис.11)

Рис. 11. График зависимости силы взаимодействия магнита и металлического тела от расстояния между ними.

В опыте №2 металлическое тело было заменено на пять таких же магнитов. Результаты представленные на графике (рис.12).

 

Рис.12. График зависимости силы взаимодействия между магнитами.

В последующих опытах для увеличения точности весы.. были заменены на … При этом принципиальная схема измерений не изменилась. В опыте №3-6 измерялась сила взаимодействия одного, двух, трех, четырех магнита и металлического тела на (рис).

Рис.13 График зависимости силы взаимодействия от количества магнитов. Синий(¨) – один магнит; красный(■) – два магнита; зеленый(▲) – три магнита; фиолетовый(х) - четыре магнита.

При проведении эксперимента было замечено, что нить растягивалась при увеличении числа магнитов и уменьшении расстояния между взаимодействующими телами. По этой причине наблюдалось изменения минимального расстояния между взаимодействующими телами. В следствии этого, погрешность полученных данных также увеличивалась.

С помощью программы Microsoft Excel и имеющихся данных был получен график – гипербола зависимости силы магнитного взаимодействия от расстояния. Также с помощью линии тренда было выведено уравнение. Оказалось, что с увеличением количества магнитов ветка гиперболы становилась «круче» из–за того, что менялся объем постоянного магнита, который прямо пропорционально влияет на силу взаимодействия.

По результатам проведённого исследования получены следующие результаты:

1. Не удалось добиться равновесия левитирующей машинки в трех плоскостях. Удалось добиться равновесия по двум осям с поддерживающей стенкой. Добиться равновесия в двух осях с возможностью движения вдоль третьей также не удалось.

2. Проведено исследование зависимости силы магнитного взаимодействия от расстояния между взаимодействующими телами. Получены уравнения для зависимости силы от расстояния. Полученные уравнения соответствуют теоретическим уравнениям с учётом допущений.

3. Получены зависимости силы от расстояния для различного числа магнитов.

4. Измерения показали, что точность имеет большое значение в создании технических устройств на основе постоянных магнитов, а так же в изучении и исследовании магнитных взаимодействий.

Заключение

Магнитная левитация имеет большое значение в промышленности, машиностроении. Магнитная левитация используется для создания поездов на магнитной подушке, магнитных подшипников и для показа продукции. В настоящее время все эти направления стремительно развиваются. Особый интерес представляет использование магнитного подвеса на транспорте поскольку поезда на магнитной подушке могут заменить самолеты на средних расстояниях от 500-1000 километров, что для нашей огромной страны является очень актуальным. Основной проблемой является дороговизна постройки магнитопутей, поэтому ученые ищут возможность модернизации существующей инфраструктуры.

Вследствие теоремы Ирншоу левитация постоянных магнитов в магнитостатическом поле невозможна. Магнитная левитация без механической поддержки возможна в трёх случаях: при использовании сверхпроводников, при использовании гироскопического эффекта или в поле электромагнитов с использованием датчиков. В реальных системах, использующих магнитную левитацию, применяют электромагниты, так как это позволяет не только более надежно контролировать подвес, но и с помощью линейных двигателей ускорять и тормозить поезд.

Необходимым условием магнитной левитации является создание потенциальной магнитной ямы. В ходе исследования не удалось добиться равновесия левитирующей машинки в трех плоскостях. Удалось добиться равновесия по двум осям с поддерживающей стенкой. Добиться равновесия в двух осях с возможностью движения вдоль третьей также не удалось. В работе проведено теоретическое и экспериментальное исследование зависимости магнитной силы от расстояния между взаимодействующими телами. Полученные результаты совпадают с учётом допущений с теоретическими. Сила взаимодействия магнита и железного тела обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, а сила взаимодействия меду двумя магнитами обратно пропорциональна четвёртой степени расстояния между ними. При этом замечено, что с увеличением числа магнитов сила возрастает нелинейно.

Все полученные результаты свидетельствуют о том, что исследование магнитных взаимодействий и магнитных полей является сложной задачей важную роль в которых играет точность измерительных приборов. В дальнейшем, для более точного построения картины магнитного поля и расчёта его параметров планируется использовать программное средство ELCUT, а измерения производить с помощью программно-аппаратной платформы Arduino.

Список литературы

1. Магнитная левитация [Электронный ресурс] // Свободная энциклопедия. URL. https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитная_левитация. (дата обращения:12.01.16)

2. Дзензерский В. А. Высокоскоростной магнитный транспорт с электродинамической левитацией / В. А. Дзензерский, В. И. Омельяненко, С. В. Васильев и др. – К.: Наук. думка. – 2001. – 318 с.

3. Мартыненко Ю.Г. о проблемах магнитной левитации тел в силовых полях //Соровский образовательный журнал №3 1996г. С. 82-86

4. Левитация(Физика) [Электронный ресурс]// Свободная Энциклопедия.URL. https://ru.wikipedia.org/wiki/Левитация_(физика) (дата обращения: 13.01.16)

5. Воронков В.С. Экономичный простейший магнитный подвес / С.А. Малкин, В.С. Воронков / Журнал технической физики // 2011. Т.81. Вып.11. С.135-139.

6. Сливинская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты// Учебное пособие для студентов вузов М.: "Энергия", 1972 год, 248 с.

7. О постоянных магнитах для простого инженера [Электронный ресурс]//САМ.URL. http://c-a-m.narod.ru/techno/magnit.html(дата обращения: 13.02.17)