一種新型磁力棋盤的工作原理

楊宏魁 關浩浩

摘 要：象棋和圍棋是我們中華民族幾千年來流傳下來的國粹，廣泛流行于各個年齡段的人群之間。說到下棋，自然離不開棋盤和棋子。傳統(tǒng)的棋盤和棋子結構簡單，使用方便，制作材料來源廣泛。但是棋子無法吸附至棋盤上，只能水平放置，無法滿足教學活動的需求。

關鍵詞：科技前沿;理論依據(jù);研究內(nèi)容

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

當前市場上出現(xiàn)的磁性棋盤和棋子，主要通過在棋盤和棋子內(nèi)填充磁性物質來達到相互吸引的目的，通過巨大笨重的支架來達到使棋盤垂直放置的目的，這雖然在一定程度上滿足了教學活動的需要，但是也帶來一些新的問題。比如，棋盤和棋子內(nèi)的磁體對人體和環(huán)境都有不同程度的影響，笨重的支架給給搬運和擺放帶來了不便。

1 科技前沿

國內(nèi)外現(xiàn)有磁性棋盤都是使用磁鐵和磁體作棋子、棋盤，通過磁鐵對磁體的吸引來實現(xiàn)棋子在棋盤上的吸附。它們不同的地方在于磁鐵和磁體的選擇不同，棋子和棋盤誰用磁鐵誰用磁體不同。下面是兩種常見的棋盤類型：

第一種是棋盤當磁鐵，棋子當磁體型。它的棋盤內(nèi)部填充有磁粉，棋子內(nèi)部填充磁體。使用時，當棋子接觸棋盤時，兩者之間的磁力就會將棋子吸引在棋盤上。第二種是棋盤當磁體，棋子當磁鐵型。棋盤內(nèi)部夾有磁體，棋子內(nèi)部填充磁鐵。使用時，當棋子接觸棋盤時，兩者之間的磁力就會將棋子吸引在棋盤上。

同時國內(nèi)外現(xiàn)有磁性棋盤都是通過支架來實現(xiàn)棋盤的垂直放置，以便方便講解，教學。但是這種方式依賴于笨重的支架，不便于搬運和擺放。

2 理論依據(jù)

從國內(nèi)外現(xiàn)有狀況來看，現(xiàn)有的磁性棋盤都存在一些問題，比如內(nèi)部磁性危害周圍物品（手機，電腦，身份證，銀行卡等）和環(huán)境，笨重的支架使用很不方便?？梢灶A見磁性棋盤將來的發(fā)展一定是向更方便，更環(huán)保的方向發(fā)展。

本課題所研究的吸附式電磁鐵磁性棋盤基于電磁鐵原理，在棋盤內(nèi)部裝入微型電磁鐵及線圈，通過控制流過線圈的電流來控制棋盤磁性的有無。同時在棋子內(nèi)部填入磁性物質，來實現(xiàn)吸附的目的。在棋盤背部合理的嵌入吸盤，使用時可以很方便的將棋盤固定在平整壁面上。

這種棋盤減少了磁污染，使用時能方便的固定在平整壁面上，是一件環(huán)保，方便的新型棋盤。

3 研究內(nèi)容

研究內(nèi)容一：如何利用電磁鐵將棋子吸附到棋盤上。

（1）研究棋盤與棋子之間的摩擦情況，確定一個棋子吸附到棋盤上所需要的力的大小。將棋子置于傾角α的斜劈之上，通過多次實驗測棋子恰好能停在棋盤之上，時棋盤傾角α實驗結果如下表所示：

由上表得：取α=26°：于是，μmgcos26°=mgsin26°，故棋盤與棋子之間摩擦系數(shù)：?=0.509。

（2）研究電流與電磁鐵吸力大小之間的關系，確定流過每個電磁鐵電流的大小。磁場強度的計算公式：H = N × I / L式中：H為磁場強度，單位為A/m;N為線圈的匝數(shù);L為有效磁路長度，I為電流（測量值）由上式可得出線圈電流與磁場強度的關系。磁力的大小可以用磁力庫侖定律來計算，F(xiàn)=m1*m2/（Kr^2），其中K為常數(shù)，R為磁極距離，m1為棋子內(nèi)磁體磁感應強度，m2為棋盤磁場磁感應強度。

（3）研究電磁鐵在棋盤上的布置方式：根據(jù)查詢資料，工業(yè)上諸如此類以點帶面產(chǎn)生均勻場的源點布置方式主要有均勻布置和斜式布置兩種，現(xiàn)通過計算確定最優(yōu)方案。

分別計算兩種分布的各點受力均值以及方差計入下表：

通過計算可以發(fā)現(xiàn)：在F相同的情況下，與均勻布置相比，斜式布置多用了175%的電磁鐵，但卻只比均勻布置多提供138%的吸力，而且兩者在均勻受力方面差別不大，從經(jīng)濟角度考慮，應選擇均勻布置。

綜上：根據(jù)取安全系數(shù)K的值為2-3之間，即在電磁引力作用下棋盤于棋子產(chǎn)生的摩擦力等于K倍重力。然后據(jù)此根據(jù)棋子（內(nèi)附磁體）的質量選定電磁鐵型號。

研究內(nèi)容二：棋盤上部各個原件之間的合理連接。

（1）確定電源和電磁鐵之間的連接：整個產(chǎn)品以兩個薄木棋盤為外殼，在其木板上落棋子處挖出圓洞使電磁鐵卡在其中，使其在棋盤外產(chǎn)生磁場，對附著于其上的帶磁棋子產(chǎn)生引力，使其吸在棋盤之上。對內(nèi)部兩塊之間的電磁鐵用并聯(lián)電路連接，并在邊界處通過變壓器將整個電路整理出一個以USB接口為充電入口的電源。

（2）確定各部件之間的固定方法：電磁鐵與棋盤之間通過過盈配合進行連接，并通過膠槍進行固定，上下兩板之間加裝木條，再用膠槍粘為一體，從側面邊緣處開口并固定電源。整體完成之后再給木板外裝上空氣吸盤，以便使用時吸附于豎直壁面之上。

4 結束語

本課題所研究的吸附式電磁鐵磁性棋盤基于電磁鐵原理，在棋盤表面固定上裝入微型電磁鐵及線圈，通過控制流過線圈的電流通斷來控制棋盤磁性的有無。并且在棋子內(nèi)部填入磁性物質，來實現(xiàn)吸附的目的。同時在棋盤背部合理的嵌入吸盤，使用時可以很方便的將棋盤固定在平整壁面上。這種棋盤減少了磁污染，使用時能方便的固定在平整壁面上，是一件環(huán)保，方便的新型棋盤。

參考文獻：

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