应用电磁感应定律研究材料的缓冲性能

杨少波丁一凡

(北京印刷学院,北京 102600)

缓冲材料是包装设计中必须考虑的重要因素之一,但目前大多还是凭经验进行定性判断。我们利用电磁感应原理提供了一种更加可靠的定量分析不同物体碰撞过程的方案,并且给出了几个具有代表性的参数定量,用以判断不同材料的缓冲性能。

1 实验原理

法拉第电磁感应定律:当穿过闭合回路的磁通量发生变化时回路中就有电流产生,这种现象就称为电磁感应现象。如图1所示,当运动的磁铁接近线圈时回路中磁通量发生变化,在线圈中产生感应电流,也可以说在磁铁下落接近线圈时,线圈在做切割磁力线的运动,而磁铁运动速度与感应电流的函数关系为:

通过实验和理论证实在碰撞过程中瞬时速度与电流是近似线性关系,即可以定性分析磁铁在碰撞时的受力情况。

图1表示磁铁系统与各种材料的碰撞,材料的厚度是一样的并且较薄,因此在碰撞过程中线圈感受的磁场环境基本相同,瞬时速度与电流是线性关系,因此可以通过电流的变化来判断速度的变化,速度的变化又反映了物体的加速度,加速度大小反映了物体与材料的相互作用力(在碰撞过程中重力可以忽略)。

图1 线圈在磁铁正下方

2 实验仪器

本装置用到了吉时利源表、特斯拉计、有机圆柱导轨、柱状钕铁硼磁铁和各种缓冲材料(海绵、软玻璃、软泡沫、硬泡沫、硬纸板、木板)。

3 实验内容和数据测量

3.1 磁场分布测量

图2(a)显示了柱状钕铁硼磁铁一侧的磁感应强度的分布,另一侧是对称的,但方向相反;图2(b)是用来测量空间中各点的磁感应强度的特斯拉计,精度可以达到0.1mT;图2(c)和(d)是实验组自制测量柱状钕铁硼磁铁的磁场测量系统。

图2 (a)柱状钕铁硼磁铁的磁感应强度B⇀分布示意图;(b)特斯拉计;(c)和(d)是自制的磁场测量系统

由于柱状钕铁硼磁铁相对垂直中心轴线磁场分布是中心对称的,把磁感应强度矢量分解为平行中心轴线分量B1和垂直中心轴线分量B2,图3(a)和3(b)分别给出了柱状钕铁硼磁铁的平行分量和垂直分量的分布图,可以看出随着距离的增加两个磁感应强度分量都很快地减小了。

图3 柱状钕铁硼磁铁的磁感应强度(a)平行分量B1和(b)垂直分量B2的分布图,其中h表示距离磁铁表面的垂直距离,r表示距离磁铁中心轴线的距离

3.2 利用电磁感应定律研究碰撞过程

实验选择的六种碰撞材料分别是:海绵、软泡沫、硬泡沫、软玻璃、木板、硬纸板。研究碰撞的实验测量装置系统如图4所示,该系统主要包括了吉时利源表、自制实验装置部分(该部分包括:有机套筒、软尺、线圈、底座、钕铁硼磁铁等),研究碰撞过程时将线圈放在磁铁的正下方,如图1所示。

图4 实验测量装置系统

六种材料在下降高度h=5,10,15,20,25,30 cm时碰撞过程的电流-时间变化曲线分别如图5所示(因篇幅所限,仅显示h=10 cm的情况),其中由于木板材料较硬,当超过20 cm的下降高度时钕铁硼材料易碎,因此木板材料仅测量到下降高度15 cm。从这些电流-时间曲线可以看出,不同材料的曲线有显著区别:峰值和谷值数量、碰撞时间、最大电流;同一种材料以不同速度撞击的曲线也不相同。这里定义:碰撞时间为非零电流值在时间轴上投影的宽度;最大电流是第一个峰值电流扣除暗电流的电流值。

图5 下降高度h=10cm时(a)海绵,(b)软泡沫,(c)硬泡沫,(d)软玻璃,(e)木板,(f)硬纸板的电流-时间图.

首先研究不同材料的不同下降高度时电流-时间函数的峰和谷数量,如表1所示。从表1中可以看出海绵和软泡沫的峰和谷数较多,说明它们的弹性较好;软玻璃和木板的峰和谷数较少,但随着速度增加峰和谷数增加;硬泡沫和硬纸板的峰和谷数比较稳定。峰和谷数量越多缓冲效果越好,因此从这个角度来看缓冲效果最好的是软泡沫和海绵,而木板效果不佳。

表1 六种材料不同下降高度时的峰数和谷数(明显的峰和谷数量)

下面研究六种材料的碰撞时间随下降高度的变化曲线,如图6所示。从图中明显看出在相同下降高度时,软泡沫的碰撞时间是最长的;而软玻璃是最短的,木板仅次于软玻璃;海绵、硬泡沫、硬纸板的居于中间,而海绵的线性关系保持较好,硬泡沫和硬纸板却不存在线性关系,说明海绵弹性较好,另外两种较差。从碰撞时间角度来看,缓冲效果最好的就是软泡沫。

图6 六种材料的碰撞时间Time(s)-下降高度h(cm)变化曲线.

最后研究六种材料的最大电流随下降高度变化曲线,如图7所示。从图中可以看出,硬泡沫、软泡沫、软玻璃的最大电流比较小;木板、硬纸板、海绵的最大电流比较大。电流越大说明物体受到的冲击越大,从最大电流角度来看缓冲效果较好的是硬泡沫、软泡沫、软玻璃,另外三种较差。

图7 六种材料的最大电流i(A)-下降高度h(cm)变化关系

总的来看,我们选择的六种材料中软泡沫的缓冲效果是最好的,这种研究方法可以从多方面了解物体在碰撞过程中的变化情况。

4 结语

利用法拉第电磁感应定律研究六种材料(海绵、软泡沫、硬泡沫、软玻璃、木板、硬纸板)与磁铁碰撞过程,在碰撞过程中测量感应电流的变化,可以得到电流峰和谷数量、碰撞时间、最大电流,分析材料的缓冲效果,发现六种材料中软泡沫的缓冲效果是最好的。这是一种研究材料缓冲特性的新方法,评判标准是三个重要测量参数:峰和谷数量,碰撞时间,最大电流。