CN107331258B - 洛伦兹力浮态空间轨迹变换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电磁场技术领域，主要涉及一种洛伦兹力浮态空间轨迹变换装置，用于解决电荷在液体中运动轨迹的展示问题。其包括：箱盖、箱体、成对布置的电极板、阀门组、螺堵、液流管、液压泵8、电机、海底地质特征模拟元件、观察窗；与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：1)直观展示洛伦兹力对电荷的作用特点，有助于领会电荷在磁场中的运动规律以及电场对电荷的加速特性。2)对电荷球在流体中的运动轨迹进行自由变换，从而研究其在流体中的运动规律，为外形优化提供参考。3)模拟海底地质环境及洋流状况，考察潜水器在复杂水文环境下的运动状态，为潜水器性能优化提供参考。
Description
技术领域
本发明属于电磁场技术领域，主要涉及一种洛伦兹力浮态空间轨迹变换装置，用于解决电荷在液体中运动轨迹的展示问题。
背景技术
洛伦兹力是磁场对运动电荷的作用力，电机转子在磁场中受到的力本质上是洛伦兹力的宏观表现，深入研究洛伦兹力不仅有利于深化对磁场作用的认识，还有利于拓展其应用。洛伦兹力在电磁超声换能器、球形电机矢量控制、散度声源磁声成像、激励器静态标定等诸多方面都有重要应用。
洛伦兹力演示仪演示了电子在磁场中的运动规律，其不足在于人们看到的只是一个径迹，对磁场中的电子运动缺乏直观认识。
2015年“物理与工程”第5期王芳“关于洛伦兹力演示实验的研究”一文研究了洛伦兹力，文中分析了电解质溶液的带电粒子在电磁场中的运动现象，分析了洛伦兹力大小的影响因素，认为电解质溶液之间的关系为实验重要影响因素，理论推导得出二者之间的函数关系，又通过实验得到电导率和溶液浓度之间的关系曲线，然后将实验结果与理论分析进行了对比.发现洛伦兹力演示实验的关键因素为电解质溶液的电导率与溶液浓度之间的关系，结合实验结果分析出电导率最大时溶液浓度范围。
2015年“热加工工艺”第3期池博源“铝板电磁焊接过程中洛伦兹力的三维仿真研究”一文，分析了板件电磁焊接过程中洛仑兹力分布不均匀导致焊接接头部位板件变形不均匀，影响了焊接质量。该文利用电磁焊接技术对两块1mm厚的1系铝板进行焊接试验，同时应用电磁场仿真软件对焊接过程中板件所受的洛仑兹力进行了仿真研究。集磁器内电流的仿真结果与试验结果在首个波峰位置误差在3.45％以内，仿真结果显示，板件表面的洛仑兹力分布与试验中所发现的板件焊接区域表面变形一致。
因此，针对现有技术的不足，如何提出一种具有运动可视化效果的技术，而且结合浮力与电场力，对电荷的多种运动形态予以实现和应用，已成为研究趋势。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：针对洛伦兹力对电荷的作用，如何提供一种直观展示方案，同时利用电场力与洛伦兹力对电荷的综合作用，为研究流体中物体运动过程、天文星体运行、物理教学、科技娱乐等提供一种直观研究分析手段。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种洛伦兹力浮态空间轨迹变换装置，其包括：箱盖1、箱体3、成对布置的电极板4、阀门组5、螺堵6、液流管7、液压泵8、电机9、海底地质特征模拟元件10、观察窗11；
所述箱体3背面上布置电磁铁，箱盖1顶部和箱体3底部布置成对的电极板4，箱体3左右两个侧面布置成对的电极板4；由此，箱体3上下、左右方向加上电场，前后方向加上磁场；
所述观察窗11为透明窗体，开设于箱体3的一个侧面板上；
所述箱体3上设有所述阀门组5，螺堵6用于与阀门组5配合使用，所述阀门组5、液流管7、液压泵8、电机9依次连接；
所述箱体3内注入透明液体，把电荷球12放入液体中，盖上箱盖1；
从观察窗11中观察电荷球12，电荷球12受到浮力和重力作用，通过改变电极板4的电压，调节上下电场强度或方向，使电荷球12悬浮于液体内；
通过改变电极板4的电场强度，观察电荷球12的运动过程，当电荷球12获得一定初速后，关闭左右电场，同时开启前后由电磁铁产生的磁场；
观察电荷球12的运动过程，由于液体阻力作用，电荷球12并非作圆周运动，而是半径逐渐减小的螺旋线运动，流体阻力越小，螺旋线半径衰减越慢，电荷球12速度越大，螺旋线半径衰减越快。
其中，所述电荷球12的外形设置为潜水器形状，可以考察其流体阻力作用下的加速特性，或者偏航、俯仰动作的机动性能，从而为其性能优化提供基础认识。
其中，在箱体3底部设置海底地质特征模拟元件10，并通过阀门组5、液流管7、液压泵8、电机9配合工作来模拟海底洋流。
其中，所述阀门组5不同阀门的切换可以实现不同形态的洋流，通过模拟海洋地质环境和洋流，考察潜航器在复杂水文环境下的行为表现，从而提高其适应海洋环境的能力。
其中，所述螺堵6用于把暂时不用的阀门堵住。
其中，根据实际需要，所述电荷球12所设置的形状还包括：球形，椭球形，水滴形。
其中，所述装置还包括设置于箱体3壁面上的面阵传感器2，面阵传感器2通过感知电荷球12反射的光线以及计算机处理不同反射光线之间的夹角从而实时捕捉电荷球12的空间位置，利用计算机对电荷球12的位置信息进行标定和解算，从而可以计算出其实时速度、加速度，这为研究其电磁场、流体中的运动特性提供了量化手段。
其中，所述电磁铁为板式电磁铁。
其中，如果电荷球12运动平面垂直于磁场方向，其运动轨迹为平面螺旋线，如果电荷球12运动平面不垂直于磁场方向，而是在磁场平行方向和垂直方向均有速度分量，则其运动轨迹为空间锥形螺旋线。
其中，所述电场强度的变化通过调节电极板电压的变化来实现，磁场强度的变化通过调节电磁铁电流的大小来实现。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：
1)直观展示洛伦兹力对电荷的作用特点，有助于领会电荷在磁场中的运动规律以及电场对电荷的加速特性。
2)对电荷球在流体中的运动轨迹进行自由变换，从而研究其在流体中的运动规律，为外形优化提供参考。
3)模拟海底地质环境及洋流状况，考察潜水器在复杂水文环境下的运动状态，为潜水器性能优化提供参考。
附图说明
图1是本发明装置结构图。
图2为电荷球。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决上述技术问题，本发明提供一种洛伦兹力浮态空间轨迹变换装置，如图1所示，其包括：箱盖1、箱体3、成对布置的电极板4、阀门组5、螺堵6、液流管7、液压泵8、电机9、海底地质特征模拟元件10、观察窗11；
所述箱体3背面上布置电磁铁，箱盖1顶部和箱体3底部布置成对的电极板4，箱体3左右两个侧面布置成对的电极板4；由此，箱体3上下、左右方向加上电场，前后方向加上磁场；
所述观察窗11为透明窗体，开设于箱体3的一个侧面板上；
所述箱体3上设有所述阀门组5，螺堵6用于与阀门组5配合使用，所述阀门组5、液流管7、液压泵8、电机9依次连接；
所述箱体3内注入透明液体，把电荷球12放入液体中，盖上箱盖1；
从观察窗11中观察电荷球12，电荷球12受到浮力和重力作用，通过改变电极板4的电压，调节上下电场强度或方向，使电荷球12悬浮于液体内；
通过改变电极板4的电场强度，观察电荷球12的运动过程，当电荷球12获得一定初速后，关闭左右电场，同时开启前后由电磁铁产生的磁场；
观察电荷球12的运动过程，由于液体阻力作用，电荷球12并非作圆周运动，而是半径逐渐减小的螺旋线运动，流体阻力越小，螺旋线半径衰减越慢，电荷球12速度越大，螺旋线半径衰减越快。
电场和磁场的变化模式可以多种多样，以实现电荷球各种复杂运动；可以撤去电场，换成磁场，也可以撤去磁场，换成电场，只要相应地把电极板换成电磁铁，或者把电磁铁换成电极板。电场强度的变化通过调节电极板电压的变化来实现，磁场强度的变化通过调节电磁铁电流的大小来实现。
其中，所述电荷球12的外形设置为潜水器形状，可以考察其流体阻力作用下的加速特性，或者偏航、俯仰动作的机动性能，从而为其性能优化提供基础认识。
其中，在箱体3底部设置海底地质特征模拟元件10，并通过阀门组5、液流管7、液压泵8、电机9配合工作来模拟海底洋流。
其中，所述阀门组5不同阀门的切换可以实现不同形态的洋流，通过模拟海洋地质环境和洋流，考察潜航器在复杂水文环境下的行为表现，从而提高其适应海洋环境的能力。
其中，所述螺堵6用于把暂时不用的阀门堵住。
其中，根据实际需要，所述电荷球12所设置的形状还包括：球形，椭球形，水滴形。
另外，还可以借助这一技术研究在液体环境中各种形态的碰撞，从而深入对碰撞现象的认识。
其中，所述装置还包括设置于箱体3壁面上的面阵传感器2，面阵传感器2通过感知电荷球12反射的光线以及计算机处理不同反射光线之间的夹角从而实时捕捉电荷球12的空间位置，利用计算机对电荷球12的位置信息进行标定和解算，从而可以计算出其实时速度、加速度，这为研究其电磁场、流体中的运动特性提供了量化手段。
通过对本技术进行改进或简化，还可以用于物理教学、科技展示、生活娱乐等诸多方面。
其中，所述电磁铁为板式电磁铁。
其中，如果电荷球12运动平面垂直于磁场方向，其运动轨迹为平面螺旋线，如果电荷球12运动平面不垂直于磁场方向，而是在磁场平行方向和垂直方向均有速度分量，则其运动轨迹为空间锥形螺旋线。
其中，所述电场强度的变化通过调节电极板电压的变化来实现，磁场强度的变化通过调节电磁铁电流的大小来实现。
实施例1
本实施例提供的技术措施包括电荷球、流体、电场、磁场、电机、液压泵、面阵传感器、箱体、箱盖等。电荷球带正电或者负电，置于箱体中的液体中，箱体上下、左右方向加上电场，前后方向加上磁场，电荷球受到液体浮力、重力和电场力作用，调整上下方向电场力大小或指向，使电荷球悬浮于液体内，左右施加电场，电荷球在左右方向电场力作用下运动，运动过程中同时受到磁场力作用；电荷球获得一定初速后，如果停止左右电场力作用，则在磁场力作用下作圆周运动，磁场强度越大，圆周半径越小，动量越大，圆周半径越大，考虑到液体阻力作用，其速度逐渐变小，圆周半径也随之变小，为维持其圆周运动，可以利用左右或上下电场适时馈入能量；电荷球运动过程中，如果磁场按一定规律变化，则电荷球可做椭圆运动，两个或多个不同动量的电荷球作椭圆运动，则可模拟天体运行，没有初速的电荷球处于静止状态，静止的电荷球可以模拟中心星；如果电荷球的初速在磁场垂直方向和平行方向均有不为零的分量，电荷球作螺线运动，考虑到流体阻力，其螺距是渐变的。
如果把电荷球做成潜水器形状，则可以考察其外形的流阻特性，比如，把体量一致、净电荷相同、外形不同的潜水器模型置入液体和电场中，在电场力相等的情况下，加速特性越好，外形流阻越小；在箱体底部设置海底山脉地质模型，模拟各种海底洋流，可以直观考察潜水器的航行稳定性及偏航特性，以及潜水器撞击冰山或者其他物体时的动态特征、损坏机制、薄弱环节。
利用箱体内壁布置的面阵传感器，可以记录电荷球的实时位置，进而计算出其速度、加速度，这样，可以研究不同形状的电荷球在流体中的运动规律以及碰撞现象，其受力的变化可以通过改变电场或磁场大小、方向实现。
通过简化，本技术也可以用于物理教学演示、科技展览等诸多方面。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种洛伦兹力浮态空间轨迹变换装置，其特征在于，其包括：箱盖(1)、箱体(3)、成对布置的电极板(4)、阀门组(5)、螺堵(6)、液流管(7)、液压泵(8)、电机(9)、海底地质特征模拟元件(10)、观察窗(11)；
所述箱体(3)背面上布置电磁铁，箱盖(1)顶部和箱体(3)底部布置成对的电极板(4)，箱体(3)左右两个侧面布置成对的电极板(4)；由此，箱体(3)上下、左右方向加上电场，前后方向加上磁场；
所述观察窗(11)为透明窗体，开设于箱体(3)的一个侧面板上；
所述箱体(3)上设有所述阀门组(5)，螺堵(6)用于与阀门组(5)配合使用，所述阀门组(5)、液流管(7)、液压泵(8)、电机(9)依次连接；
所述箱体(3)内注入透明液体，把电荷球(12)放入液体中，盖上箱盖(1)；
从观察窗(11)中观察电荷球(12)，电荷球(12)受到浮力和重力作用，通过改变箱盖(1)顶部和箱体(3)底部成对布置的电极板(4)的电压，调节上下电场强度或方向，使电荷球(12)悬浮于液体内；
通过改变箱体(3)左右两个侧面成对布置的电极板(4)的电场强度，观察电荷球(12)的运动过程，当电荷球(12)获得一定初速后，关闭左右电场，同时开启前后由电磁铁产生的磁场；
观察电荷球(12)的运动过程，由于液体阻力作用，电荷球(12)并非作圆周运动，而是半径逐渐减小的螺旋线运动，流体阻力越小，螺旋线半径衰减越慢，电荷球(12)速度越大，螺旋线半径衰减越快。
2.如权利要求1所述的洛伦兹力浮态空间轨迹变换装置，其特征在于，所述电荷球(12)的外形设置为潜水器形状，可以考察其流体阻力作用下的加速特性，或者偏航、俯仰动作的机动性能，从而为其性能优化提供基础认识。
3.如权利要求1所述的洛伦兹力浮态空间轨迹变换装置，其特征在于，在箱体(3)底部设置海底地质特征模拟元件(10)，并通过阀门组(5)、液流管(7)、液压泵(8)、电机(9)配合工作来模拟海底洋流。
4.如权利要求3所述的洛伦兹力浮态空间轨迹变换装置，其特征在于，所述阀门组(5)不同阀门的切换可以实现不同形态的洋流，通过模拟海洋地质环境和洋流，考察潜航器在复杂水文环境下的行为表现，从而提高其适应海洋环境的能力。
5.如权利要求4所述的洛伦兹力浮态空间轨迹变换装置，其特征在于，所述螺堵(6)用于把暂时不用的阀门堵住。
6.如权利要求4所述的洛伦兹力浮态空间轨迹变换装置，其特征在于，根据实际需要，所述电荷球(12)所设置的形状还包括：球形，椭球形，水滴形。
7.如权利要求1所述的洛伦兹力浮态空间轨迹变换装置，其特征在于，所述装置还包括设置于箱体(3)壁面上的面阵传感器(2)，面阵传感器(2)通过感知电荷球(12)反射的光线以及计算机处理不同反射光线之间的夹角从而实时捕捉电荷球(12)的空间位置，利用计算机对电荷球(12)的位置信息进行标定和解算，从而可以计算出其实时速度、加速度，这为研究其电磁场、流体中的运动特性提供了量化手段。
8.如权利要求1所述的洛伦兹力浮态空间轨迹变换装置，其特征在于，所述电磁铁为板式电磁铁。
9.如权利要求1所述的洛伦兹力浮态空间轨迹变换装置，其特征在于，如果电荷球(12)运动平面垂直于磁场方向，其运动轨迹为平面螺旋线，如果电荷球(12)运动平面不垂直于磁场方向，而是在磁场平行方向和垂直方向均有速度分量，则其运动轨迹为空间锥形螺旋线。
10.如权利要求1所述的洛伦兹力浮态空间轨迹变换装置，其特征在于，所述电场强度的变化通过调节电极板电压的变化来实现，磁场强度的变化通过调节电磁铁电流的大小来实现。
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