巴克豪森效應(yīng)演示裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種巴克豪森效應(yīng)演示裝置，特別涉及一種通過設(shè)置三自由度機械臂使演示過程更加規(guī)范的巴克豪森效應(yīng)演示裝置。本實用新型將一個三自由度機械臂引入到傳統(tǒng)的演示系統(tǒng)中，其中第一旋轉(zhuǎn)臂的臂身上還標(biāo)有刻度，對演示者的操作可以起到很好的約束與規(guī)范作用，從而達(dá)到增強演示效果的目的。裝置中用于脈沖感應(yīng)電流放大的電路采用一種典型的甲類放大電路，該電路結(jié)構(gòu)簡單，波形失真小，可以將感應(yīng)線圈中的電流高保真地放大并轉(zhuǎn)換為聲音信號，然而由于靜態(tài)工作點電流相對較大，晶體管損耗較大，工作時效率相對較低，因此，在底座上設(shè)置開關(guān)K用于靈活地控制電路的工作狀態(tài)，達(dá)到節(jié)省電能的目的。
【專利說明】巴克豪森效應(yīng)演示裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種巴克豪森效應(yīng)演示裝置，特別涉及一種通過設(shè)置三自由度機械臂使演示過程更加規(guī)范的巴克豪森效應(yīng)演示裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]鐵磁性物質(zhì)磁化過程中，在磁滯回線最陡的區(qū)域內(nèi)其磁化是階梯式的不可逆跳躍過程。這源于鐵磁物質(zhì)體內(nèi)磁疇和磁疇壁的跳躍式位移，從而造成磁通的不連續(xù)變化，上述現(xiàn)象稱作巴克豪森效應(yīng)。通過巴克豪森效應(yīng)演示裝置可以幫助大學(xué)理工科相關(guān)專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)電磁學(xué)課程中關(guān)于磁性材料及磁疇理論的內(nèi)容。傳統(tǒng)的巴克豪森效應(yīng)演示裝置主要由激勵線圈、信號放大器、喇叭和試樣金屬片組成，一般包括玻莫合金片、硅鋼片和銅片等。演示時，將樣片放入激勵線圈中，然后將永磁鐵N極對準(zhǔn)線圈并沿著軸線靠近，然后再沿軸線遠(yuǎn)離線圈。如果所選樣片是玻莫合金時，靠近時，揚聲器將發(fā)出啪啪的響聲，遠(yuǎn)離時也發(fā)出響聲，但聲音較前者較小。如果所選樣片是娃鋼片時，靠近時，揚聲器將發(fā)出較小的啪啪的響聲，遠(yuǎn)離時，發(fā)出的聲音與靠近時發(fā)出的聲音基本一致。如果所選樣片是銅片時，靠近時與遠(yuǎn)離時均沒有聲音發(fā)出。然而上述實驗現(xiàn)象在實際操作過程中，有時并不那么明顯，這主要與實驗者的操作有關(guān)。比如永磁體的移動不在線圈軸線上，永磁體距離線圈的遠(yuǎn)近及移動速度。這些操作上的不規(guī)范可能導(dǎo)致演示效果的降低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服上面所述的傳統(tǒng)巴克豪森效應(yīng)演示裝置由于演示人員操作不規(guī)范而造成演示效果不明顯的問題，提供了一種新型巴克豪森效應(yīng)演示裝置，裝置本身具有對演示操作的約束與規(guī)范作用，從而達(dá)到增強演示效果的目的。
[0004]本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:包括頂端固定有空心工字輪的支架、線圈、底座、三自由度機械臂、永磁鐵和試樣金屬片共六部分組成。
[0005]所述的頂端固定有空心工字輪的支架的下面部分是一個上細(xì)下粗的空心金屬管，細(xì)端通過一個Y型金屬架固定一塑料空心工字輪?？招墓ぷ州喌膬?nèi)徑為5cm，長度為18cm，外面繞有由漆包銅線繞制的線圈，線圈的輸出端通過上述的空心金屬管連接到所述的底座中的相關(guān)電路上。所述的線圈用于感應(yīng)線圈內(nèi)部的磁通的變化，并將其轉(zhuǎn)換為電流信號輸出到放大電路，根據(jù)電磁感應(yīng)電路輸出電流正比于磁通變化率。當(dāng)線圈內(nèi)部放有鐵磁性物質(zhì)時，外加磁場使其磁化和去磁過程中，磁疇壁界面的不連續(xù)位移能夠產(chǎn)生較高的磁通變化率，從而保證線圈中感應(yīng)出足夠大的脈沖電流。當(dāng)線圈內(nèi)部放有非鐵磁性物質(zhì)或者為空時，外加磁場緩慢變化時，由于沒有上述磁疇壁界面的變化，因此沒有脈沖電流。
[0006]所述的底座為圓盤形，直徑為40cm,中心與上述空心金屬管固定連接,底座的上面還包括揚聲器和檢測放大電路開關(guān)，底座內(nèi)部包含有檢測放大電路和電池盒。電池盒內(nèi)可以放置4節(jié)1.5伏7號電池用來對檢測放大電路供電。開關(guān)K可以靈活的控制電路的工作和關(guān)閉狀態(tài)，以減少損耗，節(jié)約電能。
[0007]所述的檢測放大電路包括:隔直電容Cl和C2、三極管靜態(tài)工作點調(diào)節(jié)電阻Rl和R2、三極管Q、開關(guān)K，直流電源VCC和揚聲器RL。直流電源VCC、電阻Rl、R2和三極管Q構(gòu)成了直流偏置回路，使放大電路具有合適的靜態(tài)工作點。Cl是輸入端隔直電容，C2是輸出端隔直電容，二者可以保證輸入信號和和負(fù)載不會影響到上述靜態(tài)工作點的位置，同時又使輸入的交流小信號和放大的交流輸出信號能夠順利的通過。揚聲器RL將輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為聲音信號。直流電源VCC由4個1.5V的7號電池提供。
[0008]所述的檢測放大電路采用一種典型的甲類放大電路，甲類放大電路的特點就是波形失真小，可以將感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電流高保真地放大并轉(zhuǎn)換為聲音信號，然而由于靜態(tài)工作點電流相對較大，管耗較大，工作時效率相對較低。因此設(shè)置了開關(guān)K，可以在演示過程中靈活地控制該電路的工作狀態(tài)，達(dá)到節(jié)省電能的目的。
[0009]所述的三自由度機械臂由兩個旋轉(zhuǎn)臂和一個移動臂構(gòu)成。第一個旋轉(zhuǎn)臂連接于上面所述的細(xì)金屬管最下端，可以繞金屬支架作360度旋轉(zhuǎn)，即臂身既可以在空心工字輪軸線左側(cè)也可以旋轉(zhuǎn)到軸線的右側(cè)，該臂身長50cm，上面標(biāo)有以厘米為單位的刻度。當(dāng)需要改變外加磁場方向時，可以將此臂身旋轉(zhuǎn)180度實現(xiàn)。所述的移動臂呈倒立的T型，可以沿上面所述臂身作0-50cm范圍內(nèi)的水平移動。當(dāng)需要產(chǎn)生變化的外加磁場時，可以通過移動該臂身實現(xiàn)，由于第一個旋轉(zhuǎn)臂身具有刻度，可以方便的記憶實驗現(xiàn)象較明顯時，機械臂上端永久磁鐵的距離信息及移動速度，從而便于在后來的演示過程中取得最佳的演示效果。第二個旋轉(zhuǎn)臂的下端與上面所述的倒立T型移動臂的上端相聯(lián)，可以繞自身的軸線旋轉(zhuǎn)，其上端有一個彈性矩形箍槽，用以固定條形永磁鐵。將其作180度旋轉(zhuǎn)也可以方便地改變外部磁場的極性。
[0010]所述的條形永磁鐵可以采用鋁鎳鈷永磁鐵，該條形磁鐵橫向固定于上面所述的第二個旋轉(zhuǎn)臂頂端，水平高度和上面所述的空心工字輪的空腔中心位置相等，從而產(chǎn)生演示過程所需的大小和極性可變的外部磁場。
[0011]所述的試樣金屬片共有四個，分別是玻莫合金片、硅鋼片、銅片和鋁片。前兩種是鐵磁性物質(zhì)，其內(nèi)部有原子團(tuán)形成的磁疇，在磁化過程中，當(dāng)外磁場達(dá)到一定強度時，磁疇壁界面開始發(fā)生移動，在磁化曲線斜率最陡的區(qū)域，這種移動最顯著，而且是不連續(xù)的、跳躍的。這種不連續(xù)的跳躍變化具有較高的磁通變化率，從而線圈中能夠產(chǎn)生較大的脈沖感應(yīng)電流，經(jīng)過放大電路的放大，輸出電流加到揚聲器上變換為能夠聽到的聲音信號。此外，玻莫合金是具有矩形磁滯回線的鐵磁材料，而硅鋼片不是。因此，退磁過程中，玻莫合金較磁化過程的放大器輸出聲音較小，而娃鋼片在磁化和退磁過程放大器輸出的聲音大小基本相同。后兩種金屬片是非鐵磁性物質(zhì)，夕卜加磁場時，不能被磁化，演不時揚聲器不發(fā)出聲音。因為非鐵磁性材料內(nèi)部沒有磁疇結(jié)構(gòu)。
[0012]本實用新型的有益效果是:本實用新型巴克豪森效應(yīng)演示裝置中的三自由度機械臂更加易于規(guī)范在演示過程中改變外加磁場的操作，尤其是上面所述的第一個旋轉(zhuǎn)臂臂身上以厘米為單位的刻度的存在，可以使演示者通過反復(fù)演示確定永磁鐵在哪個位置、以大約什么樣的速度產(chǎn)生變化的外部磁場使演示效果最為明顯；所述的檢測放大電路采用甲類放大電路，可以對磁疇壁界面跳變移動所產(chǎn)生的脈沖式感應(yīng)電流進(jìn)行高保真地放大，并變換為聲音信號輸出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進(jìn)一步說明。
[0014]圖1是本實用新型【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖中1.空心工字輪，2.感應(yīng)線圈，3.空心支架，4.第一旋轉(zhuǎn)臂，5.移動臂，6.條形永磁鐵，7.第二旋轉(zhuǎn)臂，8.底座,9.揚聲器，10.開關(guān)，11.玻莫合金片，12.娃鋼合金片，13.銅片，14.招片。
[0016]圖2是本實用新型底座中的檢測放大電路示意圖。

【具體實施方式】
[0017]如圖1所示，本實用新型主要包括頂端固定有空心工字輪(I)的支架(3)、感應(yīng)線圈(2)、底座(8)、三自由度機械臂(4，5和7)、永磁鐵(6)和試樣金屬片(11，12，13和14)等六部分。
[0018]所述的空心工字輪(I)材料可以采用各種塑料、木材等非金屬材料，其內(nèi)徑為5cm，長度為18cm，其尺寸的選擇主要是考慮能夠?qū)⒃嚇咏饘倨?11，12，13和14)放入其內(nèi)部。工字輪(I)外面繞有由漆包圓銅線繞制的感應(yīng)線圈(2 )，感應(yīng)線圈(2 )的輸出端經(jīng)由上細(xì)下粗的空心支架(3)進(jìn)入底座(8)。工字輪(I)內(nèi)部的磁場如果發(fā)生變化，即磁通發(fā)生了變化將在線圈(2)中感應(yīng)出電動勢，從而形成感應(yīng)電流，其大小正比于磁通的變化率。
[0019]底座(8)內(nèi)部設(shè)有如圖2所示的檢測放大電路和電池盒，電路正常工作時，電池盒內(nèi)需放置4節(jié)1.5伏7號電池。底座(8)上表面設(shè)置有揚聲器(9)和開關(guān)K (10)。檢測放大電路由隔直電容Cl和C2、三極管靜態(tài)工作點調(diào)節(jié)電阻Rl和R2、三極管Q、開關(guān)K，直流電源VCC和揚聲器RL等器件構(gòu)成。該檢測放大電路采用一種典型的甲類放大電路結(jié)構(gòu)，電阻Rl、R2負(fù)責(zé)使放大電路具有合適的靜態(tài)工作點，Cl是輸入端隔直電容，C2是輸出端隔直電容，二者可以保證輸入信號和和負(fù)載不會影響到上述靜態(tài)工作點的位置，同時又使輸入的交流小信號和放大的交流輸出信號能夠順利的通過。揚聲器RL將輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為聲音信號。上述電路的優(yōu)點就是波形失真小，可以將感應(yīng)線圈(2)中的感應(yīng)電流高保真地放大并轉(zhuǎn)換為聲音信號，然而由于靜態(tài)工作點電流相對較大，管耗較大，工作時效率相對較低。因此設(shè)置上述開關(guān)K (10)可以在演示過程中靈活地控制該電路的工作狀態(tài)，達(dá)到節(jié)省電能的目的。
[0020]三自由度機械臂(4, 5和7)由兩個旋轉(zhuǎn)臂(4和7)和一個移動臂(5)構(gòu)成。第一個旋轉(zhuǎn)臂(4)可以繞空心支架(3)作360度旋轉(zhuǎn)，臂身長50cm，上面標(biāo)有以厘米為單位的刻度。移動臂(5)呈倒立的T型，可以沿上面所述臂身作0-50cm范圍內(nèi)的水平移動。第二個旋轉(zhuǎn)臂(7)的下端與上面所述的倒立T型移動臂的上端相聯(lián)，可以繞自身的軸線旋轉(zhuǎn)，其上端有一個彈性矩形箍槽，用以固定所述條形永磁鐵(6 )。
[0021]實驗的演示步驟及演示現(xiàn)象說明可以總結(jié)如下:
[0022]步驟1:將電量充足的4節(jié)1.5伏7號電池放入底座(8)電池盒內(nèi)。
[0023]步驟2:空心工字輪(I)中不放入任何式樣金屬片(11，12，13和14)，轉(zhuǎn)動兩個旋轉(zhuǎn)臂(4和7 )使條形永磁鐵(6 )軸線對準(zhǔn)線空心工字輪(I)軸線，首先通過移動臂(5 )使永磁鐵(6)反復(fù)地緩慢靠近和離開空心工字輪(1)，此時聽不到揚聲器(9)發(fā)出聲音。然后使永磁鐵(6)反復(fù)地快速地靠近和離開空心工字輪，此時揚聲器(9)均發(fā)出“噗”的聲音。
[0024]該現(xiàn)象說明前者由于磁通變化率太低聽不到聲音，后者磁通變化率足夠大，因此能聽到聲音。
[0025]步驟3:將移動臂(5)移動到距空心工字輪(I)最遠(yuǎn)端，將玻莫合金片(11)放入到空心工字輪(I)中，將條形永磁鐵(6)軸線對準(zhǔn)線空心工字輪(I)軸線，永磁鐵(6) N極朝向工字輪(I)，通過移動臂(5 )使永磁鐵(6 )緩慢靠近工字輪(I)，此時揚聲器(9 )發(fā)出“咔咔”的聲音，移動到最近處后，再緩慢遠(yuǎn)離，此時揚聲器(9)仍然發(fā)出“咔咔”的聲音，但是比剛才靠近時發(fā)出的聲音要小。旋轉(zhuǎn)第二旋轉(zhuǎn)臂(7)將永磁鐵(6) S極朝向空心工字輪(1)，重復(fù)這個過程，得到和上面相同的演示結(jié)果。演示過程中，通過第一個旋轉(zhuǎn)臂(4)臂身上的刻度觀察、記憶永磁鐵(6)在什么位置上，移動速度如何時上述現(xiàn)象最為明顯，從而可以為后來的演示提供參考。
[0026]演示現(xiàn)象證明玻莫合金內(nèi)部存在的由原子團(tuán)組成的磁疇，當(dāng)外加磁場逐漸增大時，磁疇壁界面開始移動，而且磁化過程是不連續(xù)的，磁通躍變導(dǎo)致感應(yīng)線圈中的脈沖電流，經(jīng)過放大，揚聲器(9)發(fā)出了“咔咔”的聲音。外加磁場逐漸減小時，即退磁過程，同樣發(fā)出“咔咔”的聲音，但是聲音變小，這說明玻莫合金是具有矩形磁滯回線的鐵磁材料。
[0027]步驟4:將移動臂移(5)動到距空心工字輪(I)最遠(yuǎn)端，將硅鋼片(12)放入到空心工字輪(I)中，重復(fù)步驟3中演示操作。永磁鐵(6)緩慢靠近工字輪(1)，距離足夠近時，揚聲器(9 )發(fā)出“咔咔”的聲音，但聲音較玻莫合金片(11)時小，緩慢遠(yuǎn)離時揚聲器(9 )仍然發(fā)出“咔咔”的聲音,大小和靠近時基本相同。
[0028]演示現(xiàn)象證明硅鋼片(12)內(nèi)部同樣存在磁疇結(jié)構(gòu)，但是磁化和退磁過程都發(fā)出基本相同的“咔咔”的聲音，這說明硅鋼片(12)不是具有矩形磁滯回線的鐵磁材料。
[0029]步驟5:將移動臂(5)移動到距空心工字輪(I)最遠(yuǎn)端，將銅片(13)放入到空心工字輪(I)中，重復(fù)上步驟3中演示操作。永磁鐵(6)緩慢靠近和離開時，揚聲器(9)均不發(fā)出任何聲音。
[0030]演示現(xiàn)象證明銅片(13)內(nèi)部不存在磁疇結(jié)構(gòu)，不是鐵磁材料。
[0031 ] 步驟5:將移動臂(5)移動到距空心工字輪(I)最遠(yuǎn)端，將鋁片(14)放入到空心工字輪(I)中，重復(fù)上步驟3中演示操作。永磁鐵(6)緩慢靠近和離開時，揚聲器(9)均不發(fā)出任何聲音。
[0032]演示現(xiàn)象證明鋁片(14)內(nèi)部也不存在磁疇結(jié)構(gòu)，也不是鐵磁材料。
【權(quán)利要求】
1.一種巴克豪森效應(yīng)演示裝置，包括頂端固定有空心工字輪的支架、線圈、底座、三自由度機械臂、永磁鐵和試樣金屬片共六部分，所述的底座上面還設(shè)有揚聲器和開關(guān)K,底座內(nèi)部設(shè)有有檢測放大電路和電池盒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巴克豪森效應(yīng)演示裝置，其特征在于:所述的頂端固定有空心工字輪的支架下面部分是一個上細(xì)下粗的空心金屬管，細(xì)端通過一個Y型金屬架固定一塑料空心工字輪，空心工字輪的內(nèi)徑為5cm，長度為18cm，外面繞有由漆包線繞制的線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巴克豪森效應(yīng)演示裝置，其特征在于:所述的底座呈圓盤形，直徑為40cm，中心與上述空心金屬管固定連接，底座內(nèi)部設(shè)有檢測放大電路和電池盒；電池盒內(nèi)可以放置4節(jié)七號電池用來對檢測放大電路供電；所述開關(guān)K可以靈活的控制電路的工作和關(guān)閉狀態(tài)，以減少損耗，節(jié)約電能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巴克豪森效應(yīng)演示裝置，其特征在于:所述的檢測放大電路由隔直電容Cl和C2、三極管靜態(tài)工作點調(diào)節(jié)電阻Rl和R2、三極管Q、開關(guān)K，直流電源VCC和揚聲器RL組成；直流電源VCC、電阻R1、R2和三極管Q構(gòu)成了直流偏置回路，使放大電路具有合適的靜態(tài)工作點；C1是輸入端隔直電容，C2是輸出端隔直電容，二者可以保證輸入信號和和負(fù)載不會影響到上述靜態(tài)工作點的位置，同時又使輸入的交流小信號和放大的交流輸出信號能夠順利的通過；揚聲器RL將輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為聲音信號；直流電源VCC由4個1.5V的七號電池提供。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巴克豪森效應(yīng)演示裝置，其特征在于:所述的三自由度機械臂由兩個旋轉(zhuǎn)臂和一個移動臂構(gòu)成，第一旋轉(zhuǎn)臂連接于上面所述支架的中間位置，可以繞支架作360度旋轉(zhuǎn)，其臂身長50cm，上面標(biāo)有以厘米為單位的刻度，移動臂呈倒立的T型，可以沿上面所述臂身作0-50cm范圍內(nèi)的水平移動，第二旋轉(zhuǎn)臂的下端與上面所述的倒立T型移動臂的上端相聯(lián)，可以繞自身的軸線旋轉(zhuǎn)，其上端有一個彈性矩形箍槽，用以固定條形永磁鐵。
【文檔編號】G09B23/18GK204155517SQ201420620068
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月25日
【發(fā)明者】韓偉, 周立麗 申請人:韓偉