Magnetic train(磁力列车)

• 学生：杨皓、陈芳婷、刘雪颖
• 指导教师：俞熹
• mps-060602.rar 加速度传感器驱动。

期末汇报-陈芳婷.pptx

magnetic_train_期末报告.pdf

Button magnets are attached to both ends of a small cylindrical battery. When placed in a copper coil such that the magnets contact the coil, this “train“ starts to move. Explain the phenomenon and investigate how relevant parameters affect the train's speed and power.

用纽扣磁铁把柱状的电池两端相连，将其被放到一个铜线圈中，当其与铜线圈接触时，“磁力列车”开始运动。解释这个现象并且研究相关参量如何影响火车的速度和功率。

搭建了新的实验装置，跟老师讨论以后，认为先用气泡水平仪将装置调整水平以后再测数据比较好。然后用红外线测温工具保持电池温度不变条件，高速摄像机的支架还缺少一个平台，材料准备齐全后，尽快做完电压系列实验。 — 陈芳婷 2016/04/28 18:40

很久没有更新日志，因为之前都卡在绕线圈的环节，前几天终于绕出均匀的线圈了。关键还是在绕线之前要拉直，以及尽量用机械的装置而不要过多依靠手绕。绕线装置如图。

今天去245做了几件事情：第一，用3D打印机打印了内径6mm，外径13mm，厚度1.2mm的圆环片，用来粘在磁铁上以解决“小车”在线圈里面运动的时候，磁铁被撞歪，导致回路断开的现象。效果挺好的，接下来可以多做几个，不过厚度改为1.1mm应该会更好。然后测量了一下电池的功耗。

全新的电池电压为16.04，利用伏安法，通过电流表内接法和外接法计算得电池内阻为11.37Ω。然后在线圈均匀段，小车能有71匝接入线圈，总长度大概为36.16cm，取相同长度同种铜线接在小车上（连接了磁铁的电池），10s以后，测量电压和电阻。这个时候我发现小车的输出电压一直在增加，因为电池发烫，在降温的过程中，内阻阻值一直在减小。而且输出电压的变化不能忽视。

10s过后，我直接测量小车的输出电压为1.422 .等待了很久以后（常温下，电池的散热并不是很快）。等到电池最终冷却下来的时候，电压为1.526v。前后差距超过0.1v。 然而冷却之后测量的电池内阻为12.48Ω。

说明，电池发烫让内阻发生很大的变化，而且不易测量。所以我们在实验的时候不应该让小车在线圈里面运动过久。我们的小车在线圈中运动的时间大概是1s，输出电压大概变化0.002v。很小。

接下来，在思考速度的测量方法，具体要末速度还是还是瞬时速度要与实验计划相结合。初步淘汰了traker，因为线圈比较密，从外面看不见小车。猜想是否可以用抛体运动测量末速度以及郑雯翰学长说可以从管子一头拍摄。这两种方法还要再好好想想可行性，以及我们的需求。目前对于接下来的计划有点模糊，希望找个时间跟俞熹老师讨论一下。 以及对于线圈中的感应，还不能做出定量判断，也希望跟老师讨论一下，接下来会跟老师预约一下时间，讨论一下接下来的计划。 — 陈芳婷 2016/03/31 22:03

网上买的材料到了，初步搭建了一下实验装置，按照youtube上面的方法操作了一下，但是实验现象并没有如期实现。初步猜想：

1. 买的铜线是漆包线，外面绝缘。
2. 磁铁可能表面涂了什么东西，不导电。

关于猜想1：用小刀刮了一下铜线的外表面，并没有出现什么物质，进一步截断了一小段铜线，发现截面光泽与外表面一致。由此可知，铜线并非漆包线。
于是联系了乐老师，决定12月12来实验室检测一下材料。

今天来物理楼，和乐老师探讨实验材料的问题。老师先将万能电表接在磁铁两端，发现磁铁可以导电。猜想2不成立。接着，检验五号电池的电压。发现只有1.4+，可能不能满足实验要求。然后我们觉得线圈内径可能太大，于是乐老师重新绕了线圈内径，并换用七号电池做实验。在这之后，实验现象依然未如期出现。接着，我们又猜测，可能铜线的电阻率不够小。然后我们又用万能电表测量了一下，发现电阻仅0.07Ω，对实验应该不会构成影响。然后又猜测磁铁的导电性可能不是很好。然后我们设计了一个简单电路：通过测定已知电阻两端电压，计算磁铁的分压，从而估计磁铁的阻值。实验测得电池电压为1.565V，电阻阻值为2.20kΩ。两端电压与电池电压一致。由此可以得出磁铁导电性良好。

接下来，我们开始进行试验：虽然没有出现理想的现象。但是依然有一些可喜的发现：

1. 电池在被推入线圈中是瞬间放出电火花，并且有“呲呲”的声音出现，这说明电路导通了。
2. 过了一会儿，电池发烫，看来电能消耗还是比较快的。3.将磁铁推入线圈中，磁铁会被弹出，这可能跟磁铁的放置方向有关。

然后我们总结：

1. 铜线直径偏大使接入线圈的部分电阻太小。
2. 线圈匝数不够，一方面，要加长铜线总长度。另一方面，绕线圈时，螺距要减小。相对致密一点。
3. 因为绕的线圈直径太小，再加上线圈绕的不平整，致使电池可能在运动过程中受到一些阻力。

接下来的计划：买20m直径为0.5mm的铜线，并用PVC管绕。 — 陈芳婷 2015/12/12 13:04

能否找个二、三年级的同学讨论一下：电池两端磁铁的方向需要相反还是相同？是否需要特定的南北极取向——应该和绕线方向有关？ — 乐永康 2015/12/12 14:13

我在youtube上找到了这个视频https://www.youtube.com/watch?v=FVP2hJQmc1c，里面有制作方法。请问乐老师实验室里有这些器材吗？我们可以试试 — 杨皓 2015/12/12 20:52

看youtube视频一般需要翻墙。你能否告诉我你需要哪些器材？如果实验室没有的，只要费用在合理范围，都可以去采购。 — 乐永康 2015/12/13 14:02

那个视频有些长，看的时候有些卡，我正尝试把他下载下来，看看需要哪些器材 — 杨皓 2015/12/13 17:47

今天向张远波老师请教了magnetic train的原理及一些注意事项。magnetic train的原理是：电池与两端的磁铁及铜线圈构成了一个闭合回路。铜线圈上有强电流通过，相当于一个电磁铁。在其周围产生了磁场。磁场对电池有力。这个力的方向与磁铁放置在电池上时的南北极有关，与线圈绕的方向也有关（这些实际上可以在实验尝试之前，理论确定）。 然后磁铁受力向前移动，同时引起磁场的移动。只要线圈足够均匀，这就是一个静磁场的问题（而且由于场的移动速度很慢，场的移动不会产生影响）。从原理上来看，我猜想上次实验室失败的原因：1.可能磁铁放在电池两侧的时候，使电池两端为同极了。2.因为没有考虑线圈绕的方向以及磁铁的方向，可能电池受到的力是排斥的。接下来，我们应该要确定电池的N、S极。并且根据线圈方向，确定电池的放入方向。等新的铜线到了，就可以开始尝试了。（先等这两周考试过去/(ㄒoㄒ)/~~） — 陈芳婷 2015/12/15 09:53

先积极备考！祝取得好成绩！ — 乐永康 2015/12/16 23:32

大概整理了一下实验思路：原本以为这个原理可以定量计算，寒假里面研究了一下大学物理——磁学，发现可以定量计算的应该是密绕线圈以及线圈的边缘是不好计算的。所以只能按照猜想去改变实验参数来设计实验——电流大小、线圈螺距以及直径、还有铜线的截面大小，至于铜线的种类（电阻率）影响的应该是电流大小。但是现在我还有一点不解：课题要求我们研究影响磁力列车运动速度的相关影响参数，可是我认为磁力列车运动的原理是电池和铜线组成闭合回路，铜线上的电流在线圈内产生了恒定磁场，电池因为两端有磁铁所以受力加速。如果电池电压不变，那么电流应该是恒定的，那么磁场也是恒定的，那么电池做的不应该是匀加速运动？（如果线圈的均匀的，那么摩擦力应该是恒定的，难道摩擦力中还有一部分力与速度有关，让磁列车最后能做匀速运动？），那么课题要我们测定的速度指的是哪个速度呢？ 关于课题的开展：很重要的一部分是间绕线圈的制作，在网上查了很久的制作方法，感觉没有什么特别方便又好的方法。所以可能要设计好参数专门找人制作。速度的测定可以用光电门。具体的实验设计还要跟其他同学商量一下，以及向老师讨教一下。 — 陈芳婷 2016/02/21 16:12

与运动速度大小有关的，除了摩擦力、空气阻力外，还有一个感生电动势，它会抵消电池的电压，也就是导致电流减小。因为感生电动势与切割磁力线的快慢有关（定量表述是dΦ/dt），所以与速度快慢有关。 — 乐永康 2016/02/21 16:26

哦，感生电动势。我大概懂了老师的意思，不过感生电动势是由什么切割什么产生的？还是后面的线圈通上电的瞬间产生的？ — 陈芳婷 2016/02/22 21:25

今天去105做了一下实验，用直径0.5mm的铜线绕PVC管重新做了一个线圈，把电池放进去，电池两端有火花，说明还是构成了一个回路的。但是电池没有动起来。我猜想可能是线圈的螺距太大了，导致电池一要动起来就与铜线接触不良。于是我又重新把线圈绕了一下，顺便把磁铁换成更大一号的，这样磁铁能跟铜线接触得更好。然后重新做实验，一开始还是只有火花，后来我把电池放进线圈里面，拿在手上，发现电池开始振动，并且发出“呲呲”的声音，而且热得非常快，有在向前运动，但是因为线圈不是很均匀，没有很稳定地运动。感觉应该不久就可以把实验现象做出来了。关键还是要把线圈做规范一点。 — 陈芳婷 2016/02/22 21:31

很好的进展！ — 乐永康 2016/02/22 22:23

自从实验现象出现以后，我们又购买了新的实验材料，材料还在路上。今天我去实验室，做了一些基本的测量。本来想完成测量线圈阻值、五号和七号电池的电压、直径、长度、质量、内阻以及目前用到的磁铁的质量和尺寸，但是由于操作不是很熟练加上实验室目前没有七号电池，没有全部测完。测量结果如下：五号电池的质量为23.74g、电压为1.623v、直径为1.368cm、长度（未包括电池突出那一块）为4.842cm。尺寸为D15*2mm（一般用在五号电池上）的磁铁质量为2.620g，尺寸为D12*2mm（一般用在七号电池上）的磁铁质量为1.49g。前面的计算结果都没有计算不确定度，感觉应该不重要。还有电池内阻没有测量，（预备用电流表内接和电流表外接的两个电路，用伏安法测量，应该可以减小误差）在测量仪器都具备以及操作较之前熟练的情况下，再抽空去一次应该就没有问题了。但是今天用赛电桥实验仪测量的铜线电阻好像有点问题，换了标准电阻，计算出来的结果相差很大，估计是电路连接的问题，或者是我的计算有问题？（老师可以看看我的计算过程）我打算下次去的时候重新测量一下。

目前的关键还是线圈的问题，不过根据昨天上传的视频中的办法（尽量得到尺寸合适的铝棒），应该没有问题，希望能尽快制作好，装置都准备好以后，相信实验研究会比较顺利，目前还是比较有信心的。 — 陈芳婷 2016/03/07 21:25

课题指导表一.docx

1. World's Simplest Electric Train(youtube.com, from AmazingScience, Aug 26,2014), https://youtu.be/J9b0J29OzAU
2. World's Simplest Electric Train 2(youtube.com, from AmazingScience, Mar 1,2015), https://youtu.be/Y1MDOerruDU
3. How does this “simple” electric train work? (physics.stackexchange.com, 2014),http://physics.stackexchange.com/questions/150033/how-does-this-simple-electric-train-work
4. The mystery of the magnetic train (skullsinthestars.com, 2014), http://skullsinthestars.com/2014/12/12/themystery-of-the-magnetic-train
5. Wikipedia: Magnetic moment, https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_moment
6. N. Derby and S. Olbert. Cylindrical magnets and ideal solenoids. Am. J. Phys. 78, 3, 229-235 (2010)
7. J. T. Conway and C. Agder. Exact solutions for the magnetic fields of axisymmetric solenoids and currentdistributions. IEEE Trans. on Magnetics, 37, 4, 2977-2988 (2002)
8. R. H. Jackson. Off-Axis Expansion Solution of Laplace’s Equation: Application to Accurate and Rapid Calculation of Coil Magnetic Fields. IEEE Trans. on Electron Devices 46, 5,1050-1062 (1999)
9. E. M. Purcell and D. J. Morin. Electricity & Magnetism (Cambridge Univ. Press, 2013)
10. D. J. Griffiths. Introduction to Electromagnetism (Prentice Hall, 1999)
11. A. Zangwill. Modern electromagnetism (Cambridge Univ. Press, 2012)
12. J. D. Jackson. Classical electrodynamics (Wiley, 1998)
13. World's Simplest Electric Train (Swordmaker, 2015), http://www.freerepublic.com/focus/chat/3254213/posts

很赞！ — 乐永康 2015/11/23 21:18

能否想办法将电池与磁铁整体与线圈分离、同时保证电路等效？（比如线圈里面装一个绝缘管，绝缘管下端打开一条长缝隙，接出电线、通过电线什么的来接通电路，当然，这样也有可能使得模型不一致。。。）如果能的话就不用考虑线圈与电池间的复杂摩擦力了吧！—外行人的建议哈。 — 朱冰冰 2016/03/22 22:32

评估后，自己觉得评论价值不高！– — 朱冰冰 2016/03/22 22:53

朱冰冰，讨论都是有益的，可以留着，不必删除的。我修改了你的第二条评论，若不合适，你再改。 — 乐永康 2016/03/22 23:00

…哦，明白啦！（以后会注意的，这确实不是个好习惯）不过此课题里面涉及的摩檫力确实像是个大问题诶。 — 朱冰冰 2016/03/22 23:07

这几天有进展吗？绕线装置等可以及早画示意图，或拍效果好的照片，可能演示时要用到的，还有原理示意图，肯定是需要的。 — 乐永康 2016/03/22 22:51