用集成开关型霍尔传感器测量磁阻尼系数和动摩擦系数.pdf

第14卷第1期大学物理实验Va1.14NO.1
2O年3月出版PHYSICALEXPERIMENTOFCOLLEGEMar。2001

文t.号:I11D7一2934(2001)01一0005一04

用集成开关型霍尔传感器测量
磁阻尼系数和动摩擦系数

张平

(常熟高等专科学校，常熟,215500)

摘要:介绍采用新型集成开关型霍尔传感器准确侧f班性清块在非铁磁质良导体斜
面上下滑时的邃度，提供一种精确侧It磁性滑块的磁阻尼系数和材料的清动康擦系数
的新方法。
关挂词:集成开关型粗尔传感器;磁阻尼系数;滑动摩擦系数
中日分类号:0312文献标识码:^

磁阻尼是电磁学中的重要概念，它所产生的机械效应在实际中有很广泛的应用，但直
接测定磁阻尼大小的实验很少。本文设计了一种实验装置:用先进的集成开关型霍尔传
感器〔简称霍尔开关)测最磁性滑块在非铁磁质良导体斜面上下滑的速度，并将非线性方
程转换成线性方程，经过数据处理，能同时求出磁阻尼系数和滑动摩擦系数。该实验的装
置直观，涉及的物理知识丰富，数据处理方法具有典型性，又使用了目前最先进的集成开
关型霍尔传感器的自动测时技术，使实验的内容更具综合性。这种实验方法和数据处理
技巧，对解决实际问题是十分有用的。

1原理

1.1磁性滑块在非铁磁质良导体斜面上匀速下滑时，滑块受到的阻力除滑动摩擦力Ft
外，还有磁阻尼力Fso
设磁性滑块在斜面处产生的磁感应强度为B;滑块与斜面接触的截面不变，其长度为
l。当滑块以匀速率。下滑时，可看作斜面相对于滑块向上运动而切割磁感应线。由电磁
感应定律，在斜面上的切割磁感应线部分将产生动生电动势。二Blv。如果把由于磁感应

产一生”的砂’电ov流，.流砂，.~经斜甲’面~部，r分八月的寸等，~效电’.’阻“设~了为J‘R，’,产则’J‘感户一应电“流，，.一应与叨~速~度。‘~成~正~比’，一即，一‘，一二-BRlv“a
此时斜面所受的安培力F正比于电流I，即Fal。而滑块受到的磁阻尼力凡就是斜面
所受安培力F的反作用力，向与滑块运动向相反。由此推出:F，应正比于。，可表达
九么三血业口目a.14它称为磁阻尼系)。因为滑块运动是匀速的，故它在平行于斜
收稿日期:2000一10-27
面方向应达到力平衡，从而有
Wsin6二Kv+uWCOSB(1)
(1)式中W是滑块所受重力，B是斜面与水平面的倾角，产为滑块与斜面间的滑动摩
擦系数。若将方程(1)的两边同时除以Wcoso，可得方程
。K口
tang=m’十一万十召(2)
片C砚>su
显然，tang和.u呈线性关系。作出:an9一，气直线图即可得斜率-4K7和截距、。于
cos口cos口伴
是，磁阻尼数为:K二斜率·平(3)
如果将磁阻尼力F，写成与滑块摩擦力相类似的形式，即:凡二Kv=ua"Wcos9。式
中产，可看作磁“摩擦”系数，则可得磁摩擦系数产:与倾角8和速度。的关系为

产:二斜率·(4)
cosh
2集成开关型霍尔传感器测量时间
用两只集成开关型霍尔传感器〔>>和HTM一1集成霍尔开关用计时仪，可测得滑块通
过一定距离所需要的时间。

2实验装置

图1中，1是HTM一1霍尔开关用计时仪(它由5V直流电源和电子计时器组成);2是
铝质槽形斜面，可通过夹子M的上下移动来调节倾角B，在斜面的反面A,B处各装1个
霍尔开关，用计时仪(图中1)可测量滑块通过A,B的时间;3是调节斜面横向倾角的螺
钉，可以防止滑块在下滑中往边上靠;4为重锤，用来确定L和H的长度，从而计算tan8
和coso的值;5是磁性滑块，它是在圆柱形非磁性材料的一个滑动面上粘一薄片磁钢制成
的，因而在这一面附近的磁感应强度较强。而另一面由于离磁钢较“远”，所以它附近的磁
场很弱，以至可以忽略不计。为了区别，将强磁场面涂成兰色，弱磁场面涂成黄色。

因为滑动摩擦系数K是针对某一种材料而言的，所以在本实验中，将3M型透明隐形
胶带分别粘于磁性滑块的两滑动面上和铝质斜面上，即对3M型透明胶带正面间的动摩
擦系数进行研究。

3实验法及结果

3.1磁阻尼现象的观察与实验条件的获得
使斜面具有某一倾角，调节好螺钉3(以滑块下滑时不往旁边偏为准)。分别使滑块
的兰色面和黄色面朝下，令滑块从斜面上端开始向下滑动，可以发现:当磁性较强面(兰
色)朝下时，滑块下滑缓慢;而另一面朝下时，滑块的下滑速度比前者要大得多。表明:在
磁场较强一面滑动时，不仅存在滑动摩擦，而且还存在着磁阻尼力。
为了达到滑块能匀速下滑的实验条件，笔者选择了在约20,<0<450的范围内，对滑
块的下滑情况加以观察。对于同一0值，让滑块从不同高度滑下，由通过两传感器的时
间相同，来说明滑块在A,B间的运动是匀速的飞将两传感器的V,,V_和OUT接头分别
与