电磁摆儿童原理?

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要了解电磁摆的原理,得先知道哪些物理量对它的运动有影响(即受力分析): 如图所示,在xoy平面上做运动的电荷q受重力作用向下,受到水平方向的匀强磁场力作用指向y轴负方向。该运动可看作是重力的一个分力与磁场的相互作用产生的合外力驱动下的直线运动。 所以可得电磁摆的运动方程如下: \[\frac{d^2x}{dt^2}=-\gamma \frac{dx}{dt}+\frac{F_b}{m}\\\] 其中 \(\gamma=\sqrt{\mu _0}\) 为感应系数。

上式中第一项为阻尼项,第二项为驱动力。当所受的驱动力大于阻力时,物体将加速;反之,减速。 在数学上很容易理解,但为什么实际中我们并没有看到有这样一个“凭空”产生并指向某个方向的电磁力呢?这主要是因为: 我们不能忽略电磁场本身的效应——由于其它导体的存在,使得电磁场不再是一个“悬空”存在的场,而是每一个导体都会吸收一部分能量,从而形成电流。这样不仅每个导体都要受到电磁力F_b的作用,而且各导体之间因相互干扰而使总的效果会削弱。电磁力实际上远远没有达到理想情况的那样大小和方向。 这也就是电磁摆为什么会有偏差的根源所在。若环境中有其它带电体,则电磁力还会受到其它带电体的影响而产生位移。电磁力是一个十分复杂的物理量。

以上分析都没有考虑质量m的变化,因为只要保持电路连通,无论如何摆动,有功功率都必然会被持续输出,所以m可以视为常数。如果认为m变化很小,则可以利用小参数展开将函数进行泰勒展开,由此建立含m的高阶微分方程组,借助数值方法求解。否则,就只能通过计算机模拟了。

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