过山车快速停下的秘密

黄才发

为何很多电表把线圈绕在闭合的铝框上？电气列车中的电磁制动器如何工作的？扫描隧道显微镜（STM）如何有效隔离外界振动对其的扰动？灵敏电流计在运输过程中，为何在两个接线柱上接上一根导线？

这些都跟电磁阻尼有关。当闭合回路导体在磁场中做切割磁感线运动时产生感应电流，使导体受到安培力，安培力阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼。电磁阻尼是一种十分普遍的物理现象，任何相对磁场运动的导体，只要有感应电流通过，就会存在电磁阻尼作用。

使用磁电式电表测量时，由于指针转动轴的摩擦力矩很小，若没有采取措施，线圈及指针会在指示值附近来回摆动，不易稳定下来。故而，很多电表把线圈绕在闭合的铝框上，当线圈摆动时，在闭合铝框中产生感应电流，感生电流在磁场中所受力方向与铝框运动方向相反，因而能阻碍表针运动，可使线圈及表针快速稳定在指示值位置。

灵敏电流计摇动后，让指针有较大的摆动幅度，停止摇动后，发现指针要摆动多次，经过一定时间才能停止下来。如果在两个接线柱上接上一根导线（短路线），可发现指针摆幅迅速减小，比不连导线时摆动的时间要短得多。这是由于与指针相连的线圈在磁场中摆动时产生了感应电流，线圈受到安培力形成的阻力矩作用，使指针摆幅迅速衰减，从而起到阻尼保护的作用。故在搬动或运输灵敏电流计过程中，应在两个接线柱上接上一根导线，避免电流计受到振动指针振幅过大而被撞弯或轴尖脱落等情况发生。

扫描隧道显微镜（STM）可用来探测样品表面原子尺度上的形貌。为了有效隔离外界振动对其的扰动，在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板，通过施加磁场来快速衰减其微小振动。无扰动时，对紫铜薄板施加恒定磁场。一旦出现扰动，紫铜薄板上下或左右振动产生涡电流，涡流产生的磁场总要阻碍紫铜薄板在磁场中的运动，从而使其快速稳定下来。

电磁阻尼现象广泛应用于需要稳定摩擦力以及制动力的场合，如电表、电磁制动机械等。电气列车中的电磁阻尼器在产生阻尼力的过程中，初级回路和次级回路没有直接接触，有噪声小、维护方便、可靠性高、阻尼力可调的优点，因此电磁阻尼器在工程领域中的应用非常广泛，其中在电磁制动领域中应用最为广泛。例如高速列车（如动车）、电车和磁悬浮列车等的制动系统中电磁制动器就是根据电磁阻尼原理制成的，像磁悬浮列车利用涡电流达到减速目的。

游乐场中过山车的“磁力刹车装置”，道理也一样。在过山车两侧安装铜片，停车区的轨道两侧安装强力磁铁，当过山车进入停车区的过程中两侧的铜片会产生感应电流，铜片受到安培阻力使过山车减速，让过山车能很快地停下。电磁缓速器是车辆上提高运行安全性的辅助制动装置，其工作原理也是利用电磁阻尼作用减缓车辆的速度。

金属处于变化的磁场中，金属内部将产生感应电流涡流。涡流的磁场总是阻碍导体与原磁场的相对运动。当导体与磁场相对运动时，感应电流受到的安培力阻碍它们的相对运动，利用安培力阻碍导体与磁场间的相对运动就是电磁阻尼。反之，如果磁场相对于导体转动，在导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力使导体运动起来，安培力是导体运动的动力，这种现象称为电磁驱动。电磁驱动在实际生活中的应用也很广泛，家庭中用的电能表，汽车上用的电磁式速度表（转速表）、航母上飞机的电磁弹射以及感应电动机等，都是利用电磁驱动原理制成的。

在电磁驱动现象中，导体在安培力作用下的运动速度总要比磁场的运动速度慢一些，原因是什么？原来在电磁驱动现象中，安培力的作用效果是阻碍相对运动，如果导体速度和磁场速度一样，则两者相对速度为零，便不会产生感应电流，这时电磁驱动作用就会消失，所以导体的运动速度要小于磁场的运动速度。感应电动机（异步电动机）就是依据该原理制成的。电磁驱动作用可用来制造测量转速的电表，这类转速表常称为磁性转速表。

电磁驱动具有动能转化机械磨损率低的优点，同时电磁驱动作为一个零接触的驱动方式，是一种新能源，低碳的理念与可持续发展的战略相吻合，电磁驱动越来越被人们所重视，目前已经运用到各行各业，小到孩童时代的四驱车马达，大到工业应用的驱动装置，如感应电机、电磁驱动棒、磁悬浮列车电磁驱动器等。

下面让我们来做小实验吧

[器材]

废旧铝锅盖、钕铁硼磁铁、棉线、手机支架、剪刀、螺母、电饭煲内胆（铝质材料）

1[亦驱亦阻]

用剪刀从铝锅盖上剪下铝片一块，用棉线穿过铝片挂在手机支架上。磁铁靠近鋁片左右摆动（两者并未接触，磁铁也不会吸引铝片），发现铝片跟着左右摆动，只不过速度小于磁铁速度。若先让铝片摆动起来，当磁铁靠近铝片时，发现铝片很快停止摆动。

2[电磁阻尼]

对比实验：各7 片磁铁吸住螺母，用两根长度相同的棉线穿过螺母固定在支架上，一个靠近（只是靠近并未接触，磁铁也不会吸引铝片）磁铁下方放个铝质电饭煲内胆，把两磁铁拉离相同幅度静止释放，发现下方有铝锅的很快停下。