电磁弹簧振子

电磁弹簧振子

Electromagnetic Spring Oscillator

振动是一种常见现象，它通常发生在弹簧振子中。一条弹簧其一端固定，另一端连接一个物体，该系统便成为弹簧振子。用手拉一下振子，振子便在弹簧回复力的作用下开始振动。但在本实验中，无需用手拉动振子，只要用一个闭合金属环套在振子的自由端，并快速上下移动，振子就会慢慢振动起来。金属环本身是没有磁性的，与振子也没有接触，那么是什么力量让它振动的呢？

实验装置

电磁弹簧振子演示仪一套，如图1所示，其结构包括：钢架A、弹簧B、振子C、闭合铝环D、塑料环E、不闭合铝环F。弹簧B的一端固定在钢架上，另一端同一圆柱形振子C相连。

图1　电磁弹簧振子

图2　电磁弹簧振子结构图

现象观察

手持闭合金属铝环套在振子下端，尽可能使振子处于环的中央。上下移动闭合金属铝环，可看到振子也慢慢上下运动起来；不断加大闭合金属环上下移动的速度，观察到振子的振动并不一定随之加快，而是时快时慢；在振动最激烈的时候，把闭合金属铝环置于振子下方不动，可观察到振子振动迅速减慢并最终停止。

改用塑料环或不闭合的铝环套，重复上述实验，可观察到振子纹丝不动；手拉一下振子使其振动起来，将塑料环或不闭合的铝环置于振子下方不动，发现不影响振子的振动。

现象解密

振子事实上是一块具有强磁性的磁铁，当置于闭合金属铝环中，有磁力线穿过闭合铝环，当两者有相对运动时，会引起闭合铝环中磁通量的变化，在闭合铝环中产生感应电流，这种现象称为电磁感应。

根据楞次定律，感应电流激发的磁场总是阻碍穿过环中磁通量的变化。当置于振子下方的闭合金属铝环向上运动时，穿过铝环的磁通量增加，产生的感应电流所激发的磁场阻碍磁通量的增加，同振子的磁场排斥，振子向上运动。相反，当金属环向下运动时，穿过铝环的磁通量减小，产生的感应电流所激发的磁场阻碍磁通量减少，吸引振子向下运动。振子上下运动是周期性的，故称其为电磁弹簧振子。

电磁弹簧振子的固有频率同磁铁的质量及弹簧的劲度系数有关，当闭合铝环上下移动的频率同电磁弹簧振子的固有频率相等时，振幅具有最大值。

用塑料环代替铝环，因为塑料是绝缘体不能导电，上下移动时虽有磁通量的变化，但不会产生感应电流，与振子之间没有相互作用；而不闭合的铝环，上下移动时会产生感应电动势，但没有感应电流。

应用拓展

本实验中，借助感应电流驱使电磁弹簧振子周期性振动，是非接触式的，与磁悬浮列车的驱动和异步电机的工作原理相同。这一原理在我们生活、生产或军事等领域中有着非常广泛的应用，请举例说明应用非接触式电磁驱动的其他例子。

思考题

1.为什么闭合金属环可使强磁铁振动起来呢？

2.金属环运动的快慢与弹簧振子的运动有什么关系？

3.弹簧振子的运动有哪些条件和要求？