應用電磁感應定律研究材料的緩沖性能

楊少波丁一凡

(北京印刷學院,北京 102600)

緩沖材料是包裝設計中必須考慮的重要因素之一,但目前大多還是憑經(jīng)驗進行定性判斷。我們利用電磁感應原理提供了一種更加可靠的定量分析不同物體碰撞過程的方案,并且給出了幾個具有代表性的參數(shù)定量,用以判斷不同材料的緩沖性能。

1 實驗原理

法拉第電磁感應定律:當穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化時回路中就有電流產(chǎn)生,這種現(xiàn)象就稱為電磁感應現(xiàn)象。如圖1所示,當運動的磁鐵接近線圈時回路中磁通量發(fā)生變化,在線圈中產(chǎn)生感應電流,也可以說在磁鐵下落接近線圈時,線圈在做切割磁力線的運動,而磁鐵運動速度與感應電流的函數(shù)關系為:

通過實驗和理論證實在碰撞過程中瞬時速度與電流是近似線性關系,即可以定性分析磁鐵在碰撞時的受力情況。

圖1表示磁鐵系統(tǒng)與各種材料的碰撞,材料的厚度是一樣的并且較薄,因此在碰撞過程中線圈感受的磁場環(huán)境基本相同,瞬時速度與電流是線性關系,因此可以通過電流的變化來判斷速度的變化,速度的變化又反映了物體的加速度,加速度大小反映了物體與材料的相互作用力(在碰撞過程中重力可以忽略)。

圖1 線圈在磁鐵正下方

2 實驗儀器

本裝置用到了吉時利源表、特斯拉計、有機圓柱導軌、柱狀釹鐵硼磁鐵和各種緩沖材料(海綿、軟玻璃、軟泡沫、硬泡沫、硬紙板、木板)。

3 實驗內(nèi)容和數(shù)據(jù)測量

3.1 磁場分布測量

圖2(a)顯示了柱狀釹鐵硼磁鐵一側(cè)的磁感應強度的分布,另一側(cè)是對稱的,但方向相反;圖2(b)是用來測量空間中各點的磁感應強度的特斯拉計,精度可以達到0.1mT;圖2(c)和(d)是實驗組自制測量柱狀釹鐵硼磁鐵的磁場測量系統(tǒng)。

圖2 (a)柱狀釹鐵硼磁鐵的磁感應強度B?分布示意圖;(b)特斯拉計;(c)和(d)是自制的磁場測量系統(tǒng)

由于柱狀釹鐵硼磁鐵相對垂直中心軸線磁場分布是中心對稱的,把磁感應強度矢量分解為平行中心軸線分量B1和垂直中心軸線分量B2,圖3(a)和3(b)分別給出了柱狀釹鐵硼磁鐵的平行分量和垂直分量的分布圖,可以看出隨著距離的增加兩個磁感應強度分量都很快地減小了。

圖3 柱狀釹鐵硼磁鐵的磁感應強度(a)平行分量B1和(b)垂直分量B2的分布圖,其中h表示距離磁鐵表面的垂直距離,r表示距離磁鐵中心軸線的距離

3.2 利用電磁感應定律研究碰撞過程

實驗選擇的六種碰撞材料分別是:海綿、軟泡沫、硬泡沫、軟玻璃、木板、硬紙板。研究碰撞的實驗測量裝置系統(tǒng)如圖4所示,該系統(tǒng)主要包括了吉時利源表、自制實驗裝置部分(該部分包括:有機套筒、軟尺、線圈、底座、釹鐵硼磁鐵等),研究碰撞過程時將線圈放在磁鐵的正下方,如圖1所示。

圖4 實驗測量裝置系統(tǒng)

六種材料在下降高度h=5,10,15,20,25,30 cm時碰撞過程的電流-時間變化曲線分別如圖5所示(因篇幅所限,僅顯示h=10 cm的情況),其中由于木板材料較硬,當超過20 cm的下降高度時釹鐵硼材料易碎,因此木板材料僅測量到下降高度15 cm。從這些電流-時間曲線可以看出,不同材料的曲線有顯著區(qū)別:峰值和谷值數(shù)量、碰撞時間、最大電流;同一種材料以不同速度撞擊的曲線也不相同。這里定義:碰撞時間為非零電流值在時間軸上投影的寬度;最大電流是第一個峰值電流扣除暗電流的電流值。

圖5 下降高度h=10cm時(a)海綿,(b)軟泡沫,(c)硬泡沫,(d)軟玻璃,(e)木板,(f)硬紙板的電流-時間圖.

首先研究不同材料的不同下降高度時電流-時間函數(shù)的峰和谷數(shù)量,如表1所示。從表1中可以看出海綿和軟泡沫的峰和谷數(shù)較多,說明它們的彈性較好;軟玻璃和木板的峰和谷數(shù)較少,但隨著速度增加峰和谷數(shù)增加;硬泡沫和硬紙板的峰和谷數(shù)比較穩(wěn)定。峰和谷數(shù)量越多緩沖效果越好,因此從這個角度來看緩沖效果最好的是軟泡沫和海綿,而木板效果不佳。

表1 六種材料不同下降高度時的峰數(shù)和谷數(shù)(明顯的峰和谷數(shù)量)

下面研究六種材料的碰撞時間隨下降高度的變化曲線,如圖6所示。從圖中明顯看出在相同下降高度時,軟泡沫的碰撞時間是最長的;而軟玻璃是最短的,木板僅次于軟玻璃;海綿、硬泡沫、硬紙板的居于中間,而海綿的線性關系保持較好,硬泡沫和硬紙板卻不存在線性關系,說明海綿彈性較好,另外兩種較差。從碰撞時間角度來看,緩沖效果最好的就是軟泡沫。

圖6 六種材料的碰撞時間Time(s)-下降高度h(cm)變化曲線.

最后研究六種材料的最大電流隨下降高度變化曲線,如圖7所示。從圖中可以看出,硬泡沫、軟泡沫、軟玻璃的最大電流比較小;木板、硬紙板、海綿的最大電流比較大。電流越大說明物體受到的沖擊越大,從最大電流角度來看緩沖效果較好的是硬泡沫、軟泡沫、軟玻璃,另外三種較差。

圖7 六種材料的最大電流i(A)-下降高度h(cm)變化關系

總的來看,我們選擇的六種材料中軟泡沫的緩沖效果是最好的,這種研究方法可以從多方面了解物體在碰撞過程中的變化情況。

4 結(jié)語

利用法拉第電磁感應定律研究六種材料(海綿、軟泡沫、硬泡沫、軟玻璃、木板、硬紙板)與磁鐵碰撞過程,在碰撞過程中測量感應電流的變化,可以得到電流峰和谷數(shù)量、碰撞時間、最大電流,分析材料的緩沖效果,發(fā)現(xiàn)六種材料中軟泡沫的緩沖效果是最好的。這是一種研究材料緩沖特性的新方法,評判標準是三個重要測量參數(shù):峰和谷數(shù)量,碰撞時間,最大電流。