本發(fā)明屬于電磁場(chǎng)技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種洛倫茲力浮態(tài)空間軌跡變換裝置，用于解決電荷在液體中運(yùn)動(dòng)軌跡的展示問題。

背景技術(shù)：

洛倫茲力是磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力，電機(jī)轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中受到的力本質(zhì)上是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，深入研究洛倫茲力不僅有利于深化對(duì)磁場(chǎng)作用的認(rèn)識(shí)，還有利于拓展其應(yīng)用。洛倫茲力在電磁超聲換能器、球形電機(jī)矢量控制、散度聲源磁聲成像、激勵(lì)器靜態(tài)標(biāo)定等諸多方面都有重要應(yīng)用。

洛倫茲力演示儀演示了電子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其不足在于人們看到的只是一個(gè)徑跡，對(duì)磁場(chǎng)中的電子運(yùn)動(dòng)缺乏直觀認(rèn)識(shí)。

2015年“物理與工程”第5期王芳“關(guān)于洛倫茲力演示實(shí)驗(yàn)的研究”一文研究了洛倫茲力，文中分析了電解質(zhì)溶液的帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，分析了洛倫茲力大小的影響因素，認(rèn)為電解質(zhì)溶液之間的關(guān)系為實(shí)驗(yàn)重要影響因素，理論推導(dǎo)得出二者之間的函數(shù)關(guān)系，又通過實(shí)驗(yàn)得到電導(dǎo)率和溶液濃度之間的關(guān)系曲線，然后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析進(jìn)行了對(duì)比.發(fā)現(xiàn)洛倫茲力演示實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵因素為電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率與溶液濃度之間的關(guān)系，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析出電導(dǎo)率最大時(shí)溶液濃度范圍。

2015年“熱加工工藝”第3期池博源“鋁板電磁焊接過程中洛倫茲力的三維仿真研究”一文，分析了板件電磁焊接過程中洛侖茲力分布不均勻?qū)е潞附咏宇^部位板件變形不均勻，影響了焊接質(zhì)量。該文利用電磁焊接技術(shù)對(duì)兩塊1mm厚的1系鋁板進(jìn)行焊接試驗(yàn)，同時(shí)應(yīng)用電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)焊接過程中板件所受的洛侖茲力進(jìn)行了仿真研究。集磁器內(nèi)電流的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在首個(gè)波峰位置誤差在3.45％以內(nèi)，仿真結(jié)果顯示，板件表面的洛侖茲力分布與試驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的板件焊接區(qū)域表面變形一致。

因此，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，如何提出一種具有運(yùn)動(dòng)可視化效果的技術(shù)，而且結(jié)合浮力與電場(chǎng)力，對(duì)電荷的多種運(yùn)動(dòng)形態(tài)予以實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，已成為研究趨勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對(duì)洛倫茲力對(duì)電荷的作用，如何提供一種直觀展示方案，同時(shí)利用電場(chǎng)力與洛倫茲力對(duì)電荷的綜合作用，為研究流體中物體運(yùn)動(dòng)過程、天文星體運(yùn)行、物理教學(xué)、科技娛樂等提供一種直觀研究分析手段。

(二)技術(shù)方案

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種洛倫茲力浮態(tài)空間軌跡變換裝置，其包括：箱蓋1、箱體3、成對(duì)布置的電極板4、閥門組5、螺堵6、液流管7、液壓泵8、電機(jī)9、海底地質(zhì)特征模擬元件10、觀察窗11；

所述箱體3背面上布置電磁鐵，箱蓋1頂部和箱體3底部布置成對(duì)的電極板4，箱體3左右兩個(gè)側(cè)面布置成對(duì)的電極板4；由此，箱體3上下、左右方向加上電場(chǎng)，前后方向加上磁場(chǎng)；

所述觀察窗11為透明窗體，開設(shè)于箱體3的一個(gè)側(cè)面板上；

所述箱體3上設(shè)有所述閥門組5，螺堵6用于與閥門組5配合使用，所述閥門組5、液流管7、液壓泵8、電機(jī)9依次連接；

所述箱體3內(nèi)注入透明液體，把電荷球12放入液體中，蓋上箱蓋1；

從觀察窗11中觀察電荷球12，電荷球12受到浮力和重力作用，通過改變電極板4的電壓，調(diào)節(jié)上下電場(chǎng)強(qiáng)度或方向，使電荷球12懸浮于液體內(nèi)；

通過改變電極板4的電場(chǎng)強(qiáng)度，觀察電荷球12的運(yùn)動(dòng)過程，當(dāng)電荷球12獲得一定初速后，關(guān)閉左右電場(chǎng)，同時(shí)開啟前后由電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)；

觀察電荷球12的運(yùn)動(dòng)過程，由于液體阻力作用，電荷球12并非作圓周運(yùn)動(dòng)，而是半徑逐漸減小的螺旋線運(yùn)動(dòng)，流體阻力越小，螺旋線半徑衰減越慢，電荷球12速度越大，螺旋線半徑衰減越快。

其中，所述電荷球12的外形設(shè)置為潛水器形狀，可以考察其流體阻力作用下的加速特性，或者偏航、俯仰動(dòng)作的機(jī)動(dòng)性能，從而為其性能優(yōu)化提供基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)。

其中，在箱體3底部設(shè)置海底地質(zhì)特征模擬元件10，并通過閥門組5、液流管7、液壓泵8、電機(jī)9配合工作來模擬海底洋流。

其中，所述閥門組5不同閥門的切換可以實(shí)現(xiàn)不同形態(tài)的洋流，通過模擬海洋地質(zhì)環(huán)境和洋流，考察潛航器在復(fù)雜水文環(huán)境下的行為表現(xiàn)，從而提高其適應(yīng)海洋環(huán)境的能力。

其中，所述螺堵6用于把暫時(shí)不用的閥門堵住。

其中，根據(jù)實(shí)際需要，所述電荷球12所設(shè)置的形狀還包括：球形，橢球形，水滴形。

其中，所述裝置還包括設(shè)置于箱體3壁面上的面陣傳感器2，面陣傳感器2通過感知電荷球12反射的光線以及計(jì)算機(jī)處理不同反射光線之間的夾角從而實(shí)時(shí)捕捉電荷球12的空間位置，利用計(jì)算機(jī)對(duì)電荷球12的位置信息進(jìn)行標(biāo)定和解算，從而可以計(jì)算出其實(shí)時(shí)速度、加速度，這為研究其電磁場(chǎng)、流體中的運(yùn)動(dòng)特性提供了量化手段。

其中，所述電磁鐵為板式電磁鐵。

其中，如果電荷球12運(yùn)動(dòng)平面垂直于磁場(chǎng)方向，其運(yùn)動(dòng)軌跡為平面螺旋線，如果電荷球12運(yùn)動(dòng)平面不垂直于磁場(chǎng)方向，而是在磁場(chǎng)平行方向和垂直方向均有速度分量，則其運(yùn)動(dòng)軌跡為空間錐形螺旋線。

其中，所述電場(chǎng)強(qiáng)度的變化通過調(diào)節(jié)電極板電壓的變化來實(shí)現(xiàn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化通過調(diào)節(jié)電磁鐵電流的大小來實(shí)現(xiàn)。

(三)有益效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具備如下有益效果：

1)直觀展示洛倫茲力對(duì)電荷的作用特點(diǎn)，有助于領(lǐng)會(huì)電荷在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及電場(chǎng)對(duì)電荷的加速特性。

2)對(duì)電荷球在流體中的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行自由變換，從而研究其在流體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為外形優(yōu)化提供參考。

3)模擬海底地質(zhì)環(huán)境及洋流狀況，考察潛水器在復(fù)雜水文環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為潛水器性能優(yōu)化提供參考。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖2為電荷球。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種洛倫茲力浮態(tài)空間軌跡變換裝置，如圖1所示，其包括：箱蓋1、箱體3、成對(duì)布置的電極板4、閥門組5、螺堵6、液流管7、液壓泵8、電機(jī)9、海底地質(zhì)特征模擬元件10、觀察窗11；

所述箱體3背面上布置電磁鐵，箱蓋1頂部和箱體3底部布置成對(duì)的電極板4，箱體3左右兩個(gè)側(cè)面布置成對(duì)的電極板4；由此，箱體3上下、左右方向加上電場(chǎng)，前后方向加上磁場(chǎng)；

所述觀察窗11為透明窗體，開設(shè)于箱體3的一個(gè)側(cè)面板上；

所述箱體3上設(shè)有所述閥門組5，螺堵6用于與閥門組5配合使用，所述閥門組5、液流管7、液壓泵8、電機(jī)9依次連接；

所述箱體3內(nèi)注入透明液體，把電荷球12放入液體中，蓋上箱蓋1；

從觀察窗11中觀察電荷球12，電荷球12受到浮力和重力作用，通過改變電極板4的電壓，調(diào)節(jié)上下電場(chǎng)強(qiáng)度或方向，使電荷球12懸浮于液體內(nèi)；

通過改變電極板4的電場(chǎng)強(qiáng)度，觀察電荷球12的運(yùn)動(dòng)過程，當(dāng)電荷球12獲得一定初速后，關(guān)閉左右電場(chǎng)，同時(shí)開啟前后由電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)；

觀察電荷球12的運(yùn)動(dòng)過程，由于液體阻力作用，電荷球12并非作圓周運(yùn)動(dòng)，而是半徑逐漸減小的螺旋線運(yùn)動(dòng)，流體阻力越小，螺旋線半徑衰減越慢，電荷球12速度越大，螺旋線半徑衰減越快。

電場(chǎng)和磁場(chǎng)的變化模式可以多種多樣，以實(shí)現(xiàn)電荷球各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)；可以撤去電場(chǎng)，換成磁場(chǎng)，也可以撤去磁場(chǎng)，換成電場(chǎng)，只要相應(yīng)地把電極板換成電磁鐵，或者把電磁鐵換成電極板。電場(chǎng)強(qiáng)度的變化通過調(diào)節(jié)電極板電壓的變化來實(shí)現(xiàn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化通過調(diào)節(jié)電磁鐵電流的大小來實(shí)現(xiàn)。

其中，所述電荷球12的外形設(shè)置為潛水器形狀，可以考察其流體阻力作用下的加速特性，或者偏航、俯仰動(dòng)作的機(jī)動(dòng)性能，從而為其性能優(yōu)化提供基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)。

其中，在箱體3底部設(shè)置海底地質(zhì)特征模擬元件10，并通過閥門組5、液流管7、液壓泵8、電機(jī)9配合工作來模擬海底洋流。

其中，所述閥門組5不同閥門的切換可以實(shí)現(xiàn)不同形態(tài)的洋流，通過模擬海洋地質(zhì)環(huán)境和洋流，考察潛航器在復(fù)雜水文環(huán)境下的行為表現(xiàn)，從而提高其適應(yīng)海洋環(huán)境的能力。

其中，所述螺堵6用于把暫時(shí)不用的閥門堵住。

其中，根據(jù)實(shí)際需要，所述電荷球12所設(shè)置的形狀還包括：球形，橢球形，水滴形。

另外，還可以借助這一技術(shù)研究在液體環(huán)境中各種形態(tài)的碰撞，從而深入對(duì)碰撞現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。

其中，所述裝置還包括設(shè)置于箱體3壁面上的面陣傳感器2，面陣傳感器2通過感知電荷球12反射的光線以及計(jì)算機(jī)處理不同反射光線之間的夾角從而實(shí)時(shí)捕捉電荷球12的空間位置，利用計(jì)算機(jī)對(duì)電荷球12的位置信息進(jìn)行標(biāo)定和解算，從而可以計(jì)算出其實(shí)時(shí)速度、加速度，這為研究其電磁場(chǎng)、流體中的運(yùn)動(dòng)特性提供了量化手段。

通過對(duì)本技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)或簡(jiǎn)化，還可以用于物理教學(xué)、科技展示、生活?yuàn)蕵返戎T多方面。

其中，所述電磁鐵為板式電磁鐵。

其中，如果電荷球12運(yùn)動(dòng)平面垂直于磁場(chǎng)方向，其運(yùn)動(dòng)軌跡為平面螺旋線，如果電荷球12運(yùn)動(dòng)平面不垂直于磁場(chǎng)方向，而是在磁場(chǎng)平行方向和垂直方向均有速度分量，則其運(yùn)動(dòng)軌跡為空間錐形螺旋線。

其中，所述電場(chǎng)強(qiáng)度的變化通過調(diào)節(jié)電極板電壓的變化來實(shí)現(xiàn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化通過調(diào)節(jié)電磁鐵電流的大小來實(shí)現(xiàn)。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供的技術(shù)措施包括電荷球、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電機(jī)、液壓泵、面陣傳感器、箱體、箱蓋等。電荷球帶正電或者負(fù)電，置于箱體中的液體中，箱體上下、左右方向加上電場(chǎng)，前后方向加上磁場(chǎng)，電荷球受到液體浮力、重力和電場(chǎng)力作用，調(diào)整上下方向電場(chǎng)力大小或指向，使電荷球懸浮于液體內(nèi)，左右施加電場(chǎng)，電荷球在左右方向電場(chǎng)力作用下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中同時(shí)受到磁場(chǎng)力作用；電荷球獲得一定初速后，如果停止左右電場(chǎng)力作用，則在磁場(chǎng)力作用下作圓周運(yùn)動(dòng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，圓周半徑越小，動(dòng)量越大，圓周半徑越大，考慮到液體阻力作用，其速度逐漸變小，圓周半徑也隨之變小，為維持其圓周運(yùn)動(dòng)，可以利用左右或上下電場(chǎng)適時(shí)饋入能量；電荷球運(yùn)動(dòng)過程中，如果磁場(chǎng)按一定規(guī)律變化，則電荷球可做橢圓運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)或多個(gè)不同動(dòng)量的電荷球作橢圓運(yùn)動(dòng)，則可模擬天體運(yùn)行，沒有初速的電荷球處于靜止?fàn)顟B(tài)，靜止的電荷球可以模擬中心星；如果電荷球的初速在磁場(chǎng)垂直方向和平行方向均有不為零的分量，電荷球作螺線運(yùn)動(dòng)，考慮到流體阻力，其螺距是漸變的。

如果把電荷球做成潛水器形狀，則可以考察其外形的流阻特性，比如，把體量一致、凈電荷相同、外形不同的潛水器模型置入液體和電場(chǎng)中，在電場(chǎng)力相等的情況下，加速特性越好，外形流阻越?。辉谙潴w底部設(shè)置海底山脈地質(zhì)模型，模擬各種海底洋流，可以直觀考察潛水器的航行穩(wěn)定性及偏航特性，以及潛水器撞擊冰山或者其他物體時(shí)的動(dòng)態(tài)特征、損壞機(jī)制、薄弱環(huán)節(jié)。

利用箱體內(nèi)壁布置的面陣傳感器，可以記錄電荷球的實(shí)時(shí)位置，進(jìn)而計(jì)算出其速度、加速度，這樣，可以研究不同形狀的電荷球在流體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及碰撞現(xiàn)象，其受力的變化可以通過改變電場(chǎng)或磁場(chǎng)大小、方向?qū)崿F(xiàn)。

通過簡(jiǎn)化，本技術(shù)也可以用于物理教學(xué)演示、科技展覽等諸多方面。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。