巴克豪森效应演示装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种巴克豪森效应演示装置，特别涉及一种通过设置三自由度机械臂使演示过程更加规范的巴克豪森效应演示装置。本实用新型将一个三自由度机械臂引入到传统的演示系统中，其中第一旋转臂的臂身上还标有刻度，对演示者的操作可以起到很好的约束与规范作用，从而达到增强演示效果的目的。装置中用于脉冲感应电流放大的电路采用一种典型的甲类放大电路，该电路结构简单，波形失真小，可以将感应线圈中的电流高保真地放大并转换为声音信号，然而由于静态工作点电流相对较大，晶体管损耗较大，工作时效率相对较低，因此，在底座上设置开关K用于灵活地控制电路的工作状态，达到节省电能的目的。
【专利说明】巴克豪森效应演示装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种巴克豪森效应演示装置，特别涉及一种通过设置三自由度机械臂使演示过程更加规范的巴克豪森效应演示装置。
【背景技术】
[0002]铁磁性物质磁化过程中，在磁滞回线最陡的区域内其磁化是阶梯式的不可逆跳跃过程。这源于铁磁物质体内磁畴和磁畴壁的跳跃式位移，从而造成磁通的不连续变化，上述现象称作巴克豪森效应。通过巴克豪森效应演示装置可以帮助大学理工科相关专业的学生学习电磁学课程中关于磁性材料及磁畴理论的内容。传统的巴克豪森效应演示装置主要由激励线圈、信号放大器、喇叭和试样金属片组成，一般包括玻莫合金片、硅钢片和铜片等。演示时，将样片放入激励线圈中，然后将永磁铁N极对准线圈并沿着轴线靠近，然后再沿轴线远离线圈。如果所选样片是玻莫合金时，靠近时，扬声器将发出啪啪的响声，远离时也发出响声，但声音较前者较小。如果所选样片是娃钢片时，靠近时，扬声器将发出较小的啪啪的响声，远离时，发出的声音与靠近时发出的声音基本一致。如果所选样片是铜片时，靠近时与远离时均没有声音发出。然而上述实验现象在实际操作过程中，有时并不那么明显，这主要与实验者的操作有关。比如永磁体的移动不在线圈轴线上，永磁体距离线圈的远近及移动速度。这些操作上的不规范可能导致演示效果的降低。
【发明内容】
[0003]为了克服上面所述的传统巴克豪森效应演示装置由于演示人员操作不规范而造成演示效果不明显的问题，提供了一种新型巴克豪森效应演示装置，装置本身具有对演示操作的约束与规范作用，从而达到增强演示效果的目的。
[0004]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:包括顶端固定有空心工字轮的支架、线圈、底座、三自由度机械臂、永磁铁和试样金属片共六部分组成。
[0005]所述的顶端固定有空心工字轮的支架的下面部分是一个上细下粗的空心金属管，细端通过一个Y型金属架固定一塑料空心工字轮。空心工字轮的内径为5cm，长度为18cm，外面绕有由漆包铜线绕制的线圈，线圈的输出端通过上述的空心金属管连接到所述的底座中的相关电路上。所述的线圈用于感应线圈内部的磁通的变化，并将其转换为电流信号输出到放大电路，根据电磁感应电路输出电流正比于磁通变化率。当线圈内部放有铁磁性物质时，外加磁场使其磁化和去磁过程中，磁畴壁界面的不连续位移能够产生较高的磁通变化率，从而保证线圈中感应出足够大的脉冲电流。当线圈内部放有非铁磁性物质或者为空时，外加磁场缓慢变化时，由于没有上述磁畴壁界面的变化，因此没有脉冲电流。
[0006]所述的底座为圆盘形，直径为40cm,中心与上述空心金属管固定连接,底座的上面还包括扬声器和检测放大电路开关，底座内部包含有检测放大电路和电池盒。电池盒内可以放置4节1.5伏7号电池用来对检测放大电路供电。开关K可以灵活的控制电路的工作和关闭状态，以减少损耗，节约电能。
[0007]所述的检测放大电路包括:隔直电容Cl和C2、三极管静态工作点调节电阻Rl和R2、三极管Q、开关K，直流电源VCC和扬声器RL。直流电源VCC、电阻Rl、R2和三极管Q构成了直流偏置回路，使放大电路具有合适的静态工作点。Cl是输入端隔直电容，C2是输出端隔直电容，二者可以保证输入信号和和负载不会影响到上述静态工作点的位置，同时又使输入的交流小信号和放大的交流输出信号能够顺利的通过。扬声器RL将输出的电流信号转换为声音信号。直流电源VCC由4个1.5V的7号电池提供。
[0008]所述的检测放大电路采用一种典型的甲类放大电路，甲类放大电路的特点就是波形失真小，可以将感应线圈中的感应电流高保真地放大并转换为声音信号，然而由于静态工作点电流相对较大，管耗较大，工作时效率相对较低。因此设置了开关K，可以在演示过程中灵活地控制该电路的工作状态，达到节省电能的目的。
[0009]所述的三自由度机械臂由两个旋转臂和一个移动臂构成。第一个旋转臂连接于上面所述的细金属管最下端，可以绕金属支架作360度旋转，即臂身既可以在空心工字轮轴线左侧也可以旋转到轴线的右侧，该臂身长50cm，上面标有以厘米为单位的刻度。当需要改变外加磁场方向时，可以将此臂身旋转180度实现。所述的移动臂呈倒立的T型，可以沿上面所述臂身作0-50cm范围内的水平移动。当需要产生变化的外加磁场时，可以通过移动该臂身实现，由于第一个旋转臂身具有刻度，可以方便的记忆实验现象较明显时，机械臂上端永久磁铁的距离信息及移动速度，从而便于在后来的演示过程中取得最佳的演示效果。第二个旋转臂的下端与上面所述的倒立T型移动臂的上端相联，可以绕自身的轴线旋转，其上端有一个弹性矩形箍槽，用以固定条形永磁铁。将其作180度旋转也可以方便地改变外部磁场的极性。
[0010]所述的条形永磁铁可以采用铝镍钴永磁铁，该条形磁铁横向固定于上面所述的第二个旋转臂顶端，水平高度和上面所述的空心工字轮的空腔中心位置相等，从而产生演示过程所需的大小和极性可变的外部磁场。
[0011]所述的试样金属片共有四个，分别是玻莫合金片、硅钢片、铜片和铝片。前两种是铁磁性物质，其内部有原子团形成的磁畴，在磁化过程中，当外磁场达到一定强度时，磁畴壁界面开始发生移动，在磁化曲线斜率最陡的区域，这种移动最显著，而且是不连续的、跳跃的。这种不连续的跳跃变化具有较高的磁通变化率，从而线圈中能够产生较大的脉冲感应电流，经过放大电路的放大，输出电流加到扬声器上变换为能够听到的声音信号。此外，玻莫合金是具有矩形磁滞回线的铁磁材料，而硅钢片不是。因此，退磁过程中，玻莫合金较磁化过程的放大器输出声音较小，而娃钢片在磁化和退磁过程放大器输出的声音大小基本相同。后两种金属片是非铁磁性物质，夕卜加磁场时，不能被磁化，演不时扬声器不发出声音。因为非铁磁性材料内部没有磁畴结构。
[0012]本实用新型的有益效果是:本实用新型巴克豪森效应演示装置中的三自由度机械臂更加易于规范在演示过程中改变外加磁场的操作，尤其是上面所述的第一个旋转臂臂身上以厘米为单位的刻度的存在，可以使演示者通过反复演示确定永磁铁在哪个位置、以大约什么样的速度产生变化的外部磁场使演示效果最为明显；所述的检测放大电路采用甲类放大电路，可以对磁畴壁界面跳变移动所产生的脉冲式感应电流进行高保真地放大，并变换为声音信号输出。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0014]图1是本实用新型【具体实施方式】的结构示意图。
[0015]图中1.空心工字轮，2.感应线圈，3.空心支架，4.第一旋转臂，5.移动臂，6.条形永磁铁，7.第二旋转臂，8.底座,9.扬声器，10.开关，11.玻莫合金片，12.娃钢合金片，13.铜片，14.招片。
[0016]图2是本实用新型底座中的检测放大电路示意图。
【具体实施方式】
[0017]如图1所示，本实用新型主要包括顶端固定有空心工字轮(I)的支架(3)、感应线圈(2)、底座(8)、三自由度机械臂(4，5和7)、永磁铁(6)和试样金属片(11，12，13和14)等六部分。
[0018]所述的空心工字轮(I)材料可以采用各种塑料、木材等非金属材料，其内径为5cm，长度为18cm，其尺寸的选择主要是考虑能够将试样金属片(11，12，13和14)放入其内部。工字轮(I)外面绕有由漆包圆铜线绕制的感应线圈(2 )，感应线圈(2 )的输出端经由上细下粗的空心支架(3)进入底座(8)。工字轮(I)内部的磁场如果发生变化，即磁通发生了变化将在线圈(2)中感应出电动势，从而形成感应电流，其大小正比于磁通的变化率。
[0019]底座(8)内部设有如图2所示的检测放大电路和电池盒，电路正常工作时，电池盒内需放置4节1.5伏7号电池。底座(8)上表面设置有扬声器(9)和开关K (10)。检测放大电路由隔直电容Cl和C2、三极管静态工作点调节电阻Rl和R2、三极管Q、开关K，直流电源VCC和扬声器RL等器件构成。该检测放大电路采用一种典型的甲类放大电路结构，电阻Rl、R2负责使放大电路具有合适的静态工作点，Cl是输入端隔直电容，C2是输出端隔直电容，二者可以保证输入信号和和负载不会影响到上述静态工作点的位置，同时又使输入的交流小信号和放大的交流输出信号能够顺利的通过。扬声器RL将输出的电流信号转换为声音信号。上述电路的优点就是波形失真小，可以将感应线圈(2)中的感应电流高保真地放大并转换为声音信号，然而由于静态工作点电流相对较大，管耗较大，工作时效率相对较低。因此设置上述开关K (10)可以在演示过程中灵活地控制该电路的工作状态，达到节省电能的目的。
[0020]三自由度机械臂(4, 5和7)由两个旋转臂(4和7)和一个移动臂(5)构成。第一个旋转臂(4)可以绕空心支架(3)作360度旋转，臂身长50cm，上面标有以厘米为单位的刻度。移动臂(5)呈倒立的T型，可以沿上面所述臂身作0-50cm范围内的水平移动。第二个旋转臂(7)的下端与上面所述的倒立T型移动臂的上端相联，可以绕自身的轴线旋转，其上端有一个弹性矩形箍槽，用以固定所述条形永磁铁(6 )。
[0021]实验的演示步骤及演示现象说明可以总结如下:
[0022]步骤1:将电量充足的4节1.5伏7号电池放入底座(8)电池盒内。
[0023]步骤2:空心工字轮(I)中不放入任何式样金属片(11，12，13和14)，转动两个旋转臂(4和7 )使条形永磁铁(6 )轴线对准线空心工字轮(I)轴线，首先通过移动臂(5 )使永磁铁(6)反复地缓慢靠近和离开空心工字轮(1)，此时听不到扬声器(9)发出声音。然后使永磁铁(6)反复地快速地靠近和离开空心工字轮，此时扬声器(9)均发出“噗”的声音。
[0024]该现象说明前者由于磁通变化率太低听不到声音，后者磁通变化率足够大，因此能听到声音。
[0025]步骤3:将移动臂(5)移动到距空心工字轮(I)最远端，将玻莫合金片(11)放入到空心工字轮(I)中，将条形永磁铁(6)轴线对准线空心工字轮(I)轴线，永磁铁(6) N极朝向工字轮(I)，通过移动臂(5 )使永磁铁(6 )缓慢靠近工字轮(I)，此时扬声器(9 )发出“咔咔”的声音，移动到最近处后，再缓慢远离，此时扬声器(9)仍然发出“咔咔”的声音，但是比刚才靠近时发出的声音要小。旋转第二旋转臂(7)将永磁铁(6) S极朝向空心工字轮(1)，重复这个过程，得到和上面相同的演示结果。演示过程中，通过第一个旋转臂(4)臂身上的刻度观察、记忆永磁铁(6)在什么位置上，移动速度如何时上述现象最为明显，从而可以为后来的演示提供参考。
[0026]演示现象证明玻莫合金内部存在的由原子团组成的磁畴，当外加磁场逐渐增大时，磁畴壁界面开始移动，而且磁化过程是不连续的，磁通跃变导致感应线圈中的脉冲电流，经过放大，扬声器(9)发出了“咔咔”的声音。外加磁场逐渐减小时，即退磁过程，同样发出“咔咔”的声音，但是声音变小，这说明玻莫合金是具有矩形磁滞回线的铁磁材料。
[0027]步骤4:将移动臂移(5)动到距空心工字轮(I)最远端，将硅钢片(12)放入到空心工字轮(I)中，重复步骤3中演示操作。永磁铁(6)缓慢靠近工字轮(1)，距离足够近时，扬声器(9 )发出“咔咔”的声音，但声音较玻莫合金片(11)时小，缓慢远离时扬声器(9 )仍然发出“咔咔”的声音,大小和靠近时基本相同。
[0028]演示现象证明硅钢片(12)内部同样存在磁畴结构，但是磁化和退磁过程都发出基本相同的“咔咔”的声音，这说明硅钢片(12)不是具有矩形磁滞回线的铁磁材料。
[0029]步骤5:将移动臂(5)移动到距空心工字轮(I)最远端，将铜片(13)放入到空心工字轮(I)中，重复上步骤3中演示操作。永磁铁(6)缓慢靠近和离开时，扬声器(9)均不发出任何声音。
[0030]演示现象证明铜片(13)内部不存在磁畴结构，不是铁磁材料。
[0031 ] 步骤5:将移动臂(5)移动到距空心工字轮(I)最远端，将铝片(14)放入到空心工字轮(I)中，重复上步骤3中演示操作。永磁铁(6)缓慢靠近和离开时，扬声器(9)均不发出任何声音。
[0032]演示现象证明铝片(14)内部也不存在磁畴结构，也不是铁磁材料。
【权利要求】
1.一种巴克豪森效应演示装置，包括顶端固定有空心工字轮的支架、线圈、底座、三自由度机械臂、永磁铁和试样金属片共六部分，所述的底座上面还设有扬声器和开关K,底座内部设有有检测放大电路和电池盒。
2.根据权利要求1所述的巴克豪森效应演示装置，其特征在于:所述的顶端固定有空心工字轮的支架下面部分是一个上细下粗的空心金属管，细端通过一个Y型金属架固定一塑料空心工字轮，空心工字轮的内径为5cm，长度为18cm，外面绕有由漆包线绕制的线圈。
3.根据权利要求1所述的巴克豪森效应演示装置，其特征在于:所述的底座呈圆盘形，直径为40cm，中心与上述空心金属管固定连接，底座内部设有检测放大电路和电池盒；电池盒内可以放置4节七号电池用来对检测放大电路供电；所述开关K可以灵活的控制电路的工作和关闭状态，以减少损耗，节约电能。
4.根据权利要求1所述的巴克豪森效应演示装置，其特征在于:所述的检测放大电路由隔直电容Cl和C2、三极管静态工作点调节电阻Rl和R2、三极管Q、开关K，直流电源VCC和扬声器RL组成；直流电源VCC、电阻R1、R2和三极管Q构成了直流偏置回路，使放大电路具有合适的静态工作点；C1是输入端隔直电容，C2是输出端隔直电容，二者可以保证输入信号和和负载不会影响到上述静态工作点的位置，同时又使输入的交流小信号和放大的交流输出信号能够顺利的通过；扬声器RL将输出的电流信号转换为声音信号；直流电源VCC由4个1.5V的七号电池提供。
5.根据权利要求1所述的巴克豪森效应演示装置，其特征在于:所述的三自由度机械臂由两个旋转臂和一个移动臂构成，第一旋转臂连接于上面所述支架的中间位置，可以绕支架作360度旋转，其臂身长50cm，上面标有以厘米为单位的刻度，移动臂呈倒立的T型，可以沿上面所述臂身作0-50cm范围内的水平移动，第二旋转臂的下端与上面所述的倒立T型移动臂的上端相联，可以绕自身的轴线旋转，其上端有一个弹性矩形箍槽，用以固定条形永磁铁。
【文档编号】G09B23/18GK204155517SQ201420620068
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年10月25日 优先权日:2014年10月25日
【发明者】韩伟, 周立丽 申请人:韩伟