一种新型磁力棋盘的工作原理

杨宏魁 关浩浩

摘 要：象棋和围棋是我们中华民族几千年来流传下来的国粹，广泛流行于各个年龄段的人群之间。说到下棋，自然离不开棋盘和棋子。传统的棋盘和棋子结构简单，使用方便，制作材料来源广泛。但是棋子无法吸附至棋盘上，只能水平放置，无法满足教学活动的需求。

关键词：科技前沿;理论依据;研究内容

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.197

当前市场上出现的磁性棋盘和棋子，主要通过在棋盘和棋子内填充磁性物质来达到相互吸引的目的，通过巨大笨重的支架来达到使棋盘垂直放置的目的，这虽然在一定程度上满足了教学活动的需要，但是也带来一些新的问题。比如，棋盘和棋子内的磁体对人体和环境都有不同程度的影响，笨重的支架给给搬运和摆放带来了不便。

1 科技前沿

国内外现有磁性棋盘都是使用磁铁和磁体作棋子、棋盘，通过磁铁对磁体的吸引来实现棋子在棋盘上的吸附。它们不同的地方在于磁铁和磁体的选择不同，棋子和棋盘谁用磁铁谁用磁体不同。下面是两种常见的棋盘类型：

第一种是棋盘当磁铁，棋子当磁体型。它的棋盘内部填充有磁粉，棋子内部填充磁体。使用时，当棋子接触棋盘时，两者之间的磁力就会将棋子吸引在棋盘上。第二种是棋盘当磁体，棋子当磁铁型。棋盘内部夹有磁体，棋子内部填充磁铁。使用时，当棋子接触棋盘时，两者之间的磁力就会将棋子吸引在棋盘上。

同时国内外现有磁性棋盘都是通过支架来实现棋盘的垂直放置，以便方便讲解，教学。但是这种方式依赖于笨重的支架，不便于搬运和摆放。

2 理论依据

从国内外现有状况来看，现有的磁性棋盘都存在一些问题，比如内部磁性危害周围物品（手机，电脑，身份证，银行卡等）和环境，笨重的支架使用很不方便。可以预见磁性棋盘将来的发展一定是向更方便，更环保的方向发展。

本课题所研究的吸附式电磁铁磁性棋盘基于电磁铁原理，在棋盘内部装入微型电磁铁及线圈，通过控制流过线圈的电流来控制棋盘磁性的有无。同时在棋子内部填入磁性物质，来实现吸附的目的。在棋盘背部合理的嵌入吸盘，使用时可以很方便的将棋盘固定在平整壁面上。

这种棋盘减少了磁污染，使用时能方便的固定在平整壁面上，是一件环保，方便的新型棋盘。

3 研究内容

研究内容一：如何利用电磁铁将棋子吸附到棋盘上。

（1）研究棋盘与棋子之间的摩擦情况，确定一个棋子吸附到棋盘上所需要的力的大小。将棋子置于倾角α的斜劈之上，通过多次实验测棋子恰好能停在棋盘之上，时棋盘倾角α实验结果如下表所示：

由上表得：取α=26°：于是，μmgcos26°=mgsin26°，故棋盘与棋子之间摩擦系数：?=0.509。

（2）研究电流与电磁铁吸力大小之间的关系，确定流过每个电磁铁电流的大小。磁场强度的计算公式：H = N × I / L式中：H为磁场强度，单位为A/m;N为线圈的匝数;L为有效磁路长度，I为电流（测量值）由上式可得出线圈电流与磁场强度的关系。磁力的大小可以用磁力库仑定律来计算，F=m1*m2/（Kr^2），其中K为常数，R为磁极距离，m1为棋子内磁体磁感应强度，m2为棋盘磁场磁感应强度。

（3）研究电磁铁在棋盘上的布置方式：根据查询资料，工业上诸如此类以点带面产生均匀场的源点布置方式主要有均匀布置和斜式布置两种，现通过计算确定最优方案。

分别计算两种分布的各点受力均值以及方差计入下表：

通过计算可以发现：在F相同的情况下，与均匀布置相比，斜式布置多用了175%的电磁铁，但却只比均匀布置多提供138%的吸力，而且两者在均匀受力方面差别不大，从经济角度考虑，应选择均匀布置。

综上：根据取安全系数K的值为2-3之间，即在电磁引力作用下棋盘于棋子产生的摩擦力等于K倍重力。然后据此根据棋子（内附磁体）的质量选定电磁铁型号。

研究内容二：棋盘上部各个原件之间的合理连接。

（1）确定电源和电磁铁之间的连接：整个产品以两个薄木棋盘为外壳，在其木板上落棋子处挖出圆洞使电磁铁卡在其中，使其在棋盘外产生磁场，对附着于其上的带磁棋子产生引力，使其吸在棋盘之上。对内部两块之间的电磁铁用并联电路连接，并在边界处通过变压器将整个电路整理出一个以USB接口为充电入口的电源。

（2）确定各部件之间的固定方法：电磁铁与棋盘之间通过过盈配合进行连接，并通过胶枪进行固定，上下两板之间加装木条，再用胶枪粘为一体，从侧面边缘处开口并固定电源。整体完成之后再给木板外装上空气吸盘，以便使用时吸附于竖直壁面之上。

4 结束语

本课题所研究的吸附式电磁铁磁性棋盘基于电磁铁原理，在棋盘表面固定上装入微型电磁铁及线圈，通过控制流过线圈的电流通断来控制棋盘磁性的有无。并且在棋子内部填入磁性物质，来实现吸附的目的。同时在棋盘背部合理的嵌入吸盘，使用時可以很方便的将棋盘固定在平整壁面上。这种棋盘减少了磁污染，使用时能方便的固定在平整壁面上，是一件环保，方便的新型棋盘。

参考文献：

[1]内蒙古工业大学物理系.大学物理（第一版）[M].内蒙古大学出版社，2002.

[2]赵凯华.电磁学（上、下册）[M].人民教育出版社，1978（04）.

[3]顾建中.力学教程[M].人民教育出版社，1979（03）.