非铁磁性的（精选三篇）
非铁磁性的 篇1
无线电能传输技术是利用电场、磁场等为传输媒介,实现电能由电源端传递至用电设备的一种供电方式,相对传输接触导电模式具有安全、灵活的优势,特别适用于电能收发端相对运动、易燃易爆等场合[1,2]。该构想最初由尼古拉·特斯拉于19世纪中后期提出,但由于理论及技术手段限制,一直进展缓慢。2007年美国麻省理工学院(MIT)的Marin Soljacic领导的科研团队在无线电能传输原理上取得了突破性进展,他们提出利用两个或多个具有相同固有频率及高品质因数的电磁系统间磁共振强耦合实现能量长距离(传输距离可达线圈直径的3~ 5倍)、高效率传输,基于该理论构建的两个直径0.5m的发送和接收共振线圈,成功点亮了2 m外的60 W灯泡,效率为40%~50%,研究成果发表在当年的《Science》期刊上[3]。
自MIT研究成果公布之后,国内外研究人员针对不同应用领域相继开展了研究。研究对象主要是能量传输通道周围无外界物体干扰的系统,包括理论建模[3,4,5]、传输特性[6,7,8]、性能优化[9,10,11,12,13,14]等方面。但在一些应用场合,传输通道周围不是理想的空气传输介质,存在金属物体干扰,如军用领域的弹药与武器平台信息交联中,分置于武器发射平台与弹体上的能量发送和接收模块构成无线传输系统,武器系统与弹体材料多为金属,且形状结构复杂;民用领域手机无线充电时,金属壳体亦处于交变磁场中。金属材料的存在会改变能量传输磁场空间分布状态, 进而对系统传输性能产生影响。目前,国内外对金属物体影响下的磁共振耦合无线电能传输系统的传输特性研究较少。文献[15]采用实验方法初步分析了外界金属物体对系统传输性能的影响,文中将小尺寸铝片靠近传输线圈时,观察到系统传输效率下降的现象。文献[16]中提出通过测量线圈反射系数来探测收发端间是否存在金属障碍物的方法。现有文献未能建立金属影响下的共振系统能量传输模型,亦未深入探讨金属物体存在对系统功率、效率、 共振频率等传输参数的影响,理论与实验研究有待进一步深入开展。
因铁磁性金属物体与非铁磁性金属物体对交变磁场空间分布、功率损耗等影响差异较大,须对两者分开讨论。本文以能量传输通道周围存在非铁磁性金属的磁共振耦合系统为研究对象(如无特殊说明, 文中金属物体均指非铁磁性金属物体),建立金属物体影响下的无线电能传输系统模型,理论结合实验分析金属物体对系统传输特性的影响规律,完善磁共振耦合无线电能传输理论。
1非铁磁性金属影响下的系统模型
1.1系统建模
磁共振耦合无线电能传输系统构成如图1所示,4个线圈从左至右分别为驱动线圈、发送线圈、 接收线圈和拾取线圈(分别用符号A,S,D,B表示)。发送线圈与接收线圈固有频率一致,构成共振线圈,可通过外部接入谐振电容改变系统共振频率。
处于能量交换场中的金属物体在其表面产生涡电流,部分功率以涡流损耗的形式耗散掉,且会产生反应磁场与原能量传输磁场交叉耦合,这种功率耗散与磁场交叉耦合的影响,根据H.R.Loos提出的电涡流松耦合变压器Loos模型[17,18],可等效为具有一定内阻的电涡流计算环,如图2中虚线框部分所示。电感Lo表征涡电流所产生磁场对共振磁场的影响,电阻Ro表征涡电流引起的涡流损耗。 该两参量是金属物体形状、大小及摆放位置的综合体现,数值大小即表征了金属物体对共振系统影响的强弱程度。由文献[18-19]可知,涡流回路对处于其附近的共振线圈的影响是使共振线圈阻抗的实部分量增大、虚部分量减小,且阻抗实部分量增大部分为Rof=(ωMio)2Ro/[Ro2+(ωLo)2]。因此,对于涡流回路等效回路参数提取,可首先利用LCR测试仪测量线圈无金属影响下的电阻值;然后测量金属物体影响下3种不同激励频率处的线圈等效电阻值; 对比有无金属影响情况,得到共振线圈阻抗实部增大部分Rof1,Rof2,Rof3;将三者联立方程,即可提取涡流回路具体参数。磁共振耦合系统中发送线圈和接收线圈构成的共振线圈回路参数是决定系统能量传输性能的关键[1,3],为降低模型复杂程度,忽略涡流回路对驱动线圈和拾取线圈的影响,仅考虑共振线圈与涡流回路的耦合作用(不考虑金属物体仅紧贴驱动和拾取线圈,而发送和拾取线圈不受影响的极端情况)。对于原理想共振系统(传输通道周围为空气),采用互感耦合理论,等效为四线圈回路电路模型,Li为各线圈自感,C2和C3分别为发送线圈和接收线圈的谐振电容,Ri为各回路等效电阻;RL为系统等效负载,V1为激励电压源,kij表示两回路间耦合系数,Mij为两线圈互感,且Mij=kij槡LiLj。因此,非铁磁性金属环境影响下的磁共振耦合无线电能传输系统等效电路模型如图2所示。
1.2理论分析
模型求解前,为减少回路个数,首先将拾取线圈回路映射至接收线圈回路中[19,20],原系统电路模型可等效为图3计算模型。
图3中,C4′ = [RL2+ (ωL4)2]/[ω2L4· (ωM34)2],RL′=[RL(ωM34)2]/[RL2+(ωL4)2]。由基尔霍夫定律,可列出四回路电压方程:
式中:R11=R1;R22=R2;R33=R3+RL′;Roo=Ro; X11=ωL1;X22=ωL2-1/(ωC2);X33=ωL3- (C4′+C3)/(ωC4′C3);Xoo=ωLo。
记Znn=Rnn+j Xnn,Znm=Zmn=jωMnm=jωMmn,m,n∈{1,2,3,o}。
则通过对式(1)的求解,可得各回路电流方程:
式(2)—式(5)中δ和ξ表示如下:
负载吸收功率可记作:
因能量传输通道周围金属导体的存在,会消耗部分发射源功率,涡流损耗功率为:
系统传输效率表示如下:
2能量传输特性分析
图4为传输通道周围存在金属物体影响下的系统功率与效率传输特性曲线,计算参数见附录A表A1。由图4可看出,有金属影响时的系统传输特性与无外界干扰物体下的传输特性相似,近距离条件下功率与效率频响曲线均存在分叉现象(k23大于临界耦合系数kc),且随收发端距离的增大分叉现象消失(k23<kc);负载功率不随收发端距离的增大单调降低,功率最大值往往在收发端距离较远条件下获得。
参考文献[12]对临界耦合系数的求解,金属物体影响下的系统临界耦合系数为:
图5为理论计算与Orcad仿真对比图,取k23= 0.1,各参量数值除特殊标注外其余同图4中计算参数。
由图5可知,理论计算与仿真结果十分吻合,误差在±0.5%范围内;金属材料中电涡流场与线圈共振耦合场的交叉耦合,会引起系统共振频率的偏移, 且均是向变大方向发生偏移,其原因是因为涡流回路参数引起共振线圈回路阻抗虚部分量减小,即电涡流计算环中电感Lo量对共振线圈的贡献表现为电容特性[18,19,20],该容值与原共振回路谐振电容串联, 引起共振线圈回路等效电容值减小,固有频率增大, 从而造成系统共振频率变大,共振频率具体增大数值可根据式(8),计算对比有无金属物体影响时的系统共振频率得到。涡流场与共振磁场耦合较紧时, 如图5(b)所示,涡流损耗数值可能会超过负载接收功率,影响共振系统的正常无线电能供给。
对于图2所示的电路模型,可最终等效为原激励源驱动下的RLC串联回路,此时的系统等效阻抗Zt、负载电阻及涡流损耗电阻在该等效系统中的等效电阻RL″和Ro″分别为:
表1为不同传输参数下的系统传输特性对比, 其中组1和组4为无金属物体干扰的情况,其余3组为有金属物体干扰的情况,fr为系统主共振频率(频率分叉时,最大峰值功率所对应的共振频率定义为主共振频率),Po和ηP分别为主共振频率下的o
系统传输功率和效率。由表中数据可知,金属物体表面涡流场的存在,对共振传输系统影响可表现为两种不同状态,弱耦合时可能对共振起到改善作用, 功率和效率较无金属物体时有所提高,对电能传输有利,如表中组5与组4对比;但在紧耦合条件下, 表现为负面影响,增大系统功率损耗,阻碍能量收发端的电能有效传输,如表中组3与组1对比。从系统等效电路角度分析,金属物体表面涡流场引起系统传输特性变化的根本原因是涡流场的存在引起了原传输系统等效阻抗的变化,这种等效阻抗包括驱动源激励下的系统总等效阻抗Zt,及负载阻抗在驱动源直接激励下的等效阻抗RL″。
表1中计算参数:组1、组2参数同图5(a),其中组1无涡流回路相关参量;组3参数同图5(b); 组4、组5参数见附录A表A2,其中组4无涡流回路相关参量。
3实验验证
为检验上述理论分析结论,搭建了磁共振耦合无线电能传输实验系统,实验研究不同耦合结构条件下,金属物体对系统传输特性的影响,如附录A图A1所示。因传输系统共振频率随收发端间距、 金属形状及相对位置的不同会发生变化,故需调整驱动信号频率以分析共振条件下的传输性能,本实验选用Tektronix AFG3102信号发生器作为系统驱动源(输出电压峰值为5V)。发送端功率测量采用Tektronix TCP312电流探头结合Tektronix TDS2022示波器实现;负载电阻功率由RIGOL DS4014示波器测量。
线圈直径76 mm,线径0.9 mm,其余参数如下:L1=0.89μH,R3=0.54Ω,L2=3.60μH,C2= 1 695pF,L3=3.69μH,C3=1 710 pF,L4= 0.85μH,k12=0.59,R2=0.54Ω,k23=0.65。
实验中,金属物体材质均为铝。分为无金属物体影响(情况1)、铝圆柱体位于发送端(情况2)或接收端侧面(情况3)、铝圆饼位于电能传输通道中间(情况4)、用铝圆筒包裹发送端线圈(情况5)共5种传输情况。其中位于发送端或接收端侧面的金属圆柱体直径45mm;位于电能传输通道中间的金属圆饼直径70mm,厚3.5mm;包裹发送端线圈的金属圆筒内径88mm,厚3mm。
图6为不同耦合结构条件下系统传输特性实验曲线,其中图6(b)和(c)分别为收发端不同间距下, 系统工作在主共振频率时的功率和效率传输曲线。
由图6可看出,传输通道周围存在金属物体干扰时的传输特性具有无金属干扰时的特点,即共振频率亦存在分叉现象,并随收发端距离的增大,分叉现象消失;传输功率或效率不随收发端距离的增大单调减小;最大功率与最大效率传输时的工作频率点不一致,如发送端外围存在铝金属圆柱体,收发端间距d2=23 mm时,最大功率时的工作频率、功率及效率分别为1.83 MHz,0.038 21 W,36.75%,最大效率传输时工作频率、功率及效率分别为1.81 MHz,0.034 00 W,39.19%。另外,因金属物体表面涡流场的存在,会对磁共振无线电能传输系统产生一些影响:金属物体的存在会使共振频率发生偏移,且均向上偏移,即相同条件下,传输通道周围存在金属物体相对无金属物体干扰情况,共振频率变大,如图6(a)所示;金属物体不同结构形状、位于传输通道不同位置处时对系统传输性能影响结果差异较大,且传输通道周围的金属物体并不一定总是对系统传输性能产生负面影响,如图6(b)和(c) 所示,当发送端外围存在铝金属圆柱体,d2=45mm时,负载功率及相应传输效率均较无金属环境下有一定增强。以上实验现象与理论分析及仿真结果相一致。
4结论
本文针对非铁磁性金属环境影响下的磁共振耦合无线电能传输系统开展研究,建立非接触电能传输系统电路模型,推导出系统传输功率、效率以及涡流损耗功率的解析表达式,理论计算与仿真结果误差在±0.5%以内。理论结合实验研究能量传输通道周围金属物体对共振系统传输特性的影响规律, 发现非铁磁性金属物体影响下的共振系统除具有无金属干扰时的一些特点外,如共振频率存在分叉现象、传输性能不随收发端距离增大单调降低等,还得出以下结论。
1)金属物体的存在会引起系统共振频率的偏移,且为向上偏移(共振频率变大)。
2)传输通道周围的金属物体并不一定总是对系统传输性能产生负面影响,在某些弱耦合条件下可能对功率或效率的传输起到改善作用。
3)金属物体引起系统共振频率偏移、功率或效率变化的根本原因是涡流参数造成驱动源激励下的系统等效阻抗的变化。
文中所得结论将丰富磁共振耦合无线电能传输理论,为该技术在金属环境中应用提供理论参考。 基于麦克斯韦方程组,建立功率、效率传输特性与金属材料属性、尺寸形状、摆放位置等参数间的函数关系,并进一步探讨铁磁性金属物体与共振耦合场相互作用机理,是后续工作中需要深入研究的地方。
《磁铁的磁性》教学片段设计 篇2
（教育科学出版社小学科学四年级上册第四单元第一课）
南庄中心小学
执教者：苏田英
【教材分析】
“磁铁各部分磁性强弱不同”是学生在学习了磁铁的磁性后产生的新问题，引导学生采用数字化实验方法探究磁铁各部分的磁性强弱，并形成表述：磁铁上的磁性强弱不一样。“到底怎样不一样？”将其再次细化，并用数据来表示其磁性强弱，再次形成表述：磁铁的两端磁性最强，中间磁性最弱。整个过程都以学生探究为主，学生在探究过程中得到了一次又一次的发展与提升。【教学目标】
1、让学生了解磁性最强的地方是磁铁的磁极。
2、能让学生通过实验探究磁铁各部分的磁性是否相同；并采用数字化实验方法探究磁铁各部分的磁性强弱。
3、通过探究实验，让学生体验学习科学的乐趣，形成尊重事实、善于质疑的科学态度。
【教学重点】
探究磁铁各部分的磁性强弱。
【教学难点】
采用不同的方法去探究磁铁各部分的磁性强弱。
【教学准备】
回形针、磁感应强度传感器，数据采集器、实验记录单。【教学过程】
一、预构
1、课前布置学习任务：如何进行磁铁磁性强弱的研究，有什么方法？
2、课件呈现教学内容：采用不同的方法进行探究磁铁各部分的磁性强弱，并比较其中两种方法的不同。
二、导构
1、生交流分享探究磁铁磁性强弱的方法
2、师进行探究磁铁磁性强弱的方法总结
3、生分组实验自主探究，获取新知：用数据来描述磁铁磁性的强弱，磁铁的两端磁性最强。
三、自构
1、比较两种不同的实验方法，小组讨论：哪种方法更方便操作，数据更明显。
充满“磁性”的语文课堂 篇3
今天，在新思潮的推动下，一轮轮报告，一篇篇论文，一部部书籍如雪片般飞来，特别是最近深入学习了很多有关新课改的著作，和我的实际教学联系起来，我发现了新的课改精神的主旨——从生活实践中培养学生的诸多能力，升华情感、态度、价值观。我犹如一个坐在蛋糕堆中的孩子，全身沾满了新香的蛋糕，在这白色的奶油中，我深切地吮吸到了她的甜美。努力为孩子们营造一种民主、自由、竞争的氛围，让语文课堂充满磁性。
案例描述：（苏教版第九册《黄河的主人》选段）
“羊皮筏子上的艄公，更值得敬仰和赞颂。他站在那小小的筏子上，面对着险恶的风浪，身系者乘客的安全，手里只有那么一根不粗不细的竹篙。他凭着勇敢和智慧，镇静和机敏，战胜了惊涛骇浪，在滚滚的黄河上如履平地，成为黄河的主人。”
以前的我是这样领着学生分析这一段的：
师：同学们，自读这一自然段，思考：艄公为什么值得敬仰和赞颂，在书上划下来
生：因为他站在那小小的筏子上……如履平地，所以值得敬仰。
（自评：问题的提出就事论事，僵硬直接，学生只能被动地机械地繁琐地在文字中寻找答案，没有自己发散思维的空间。）
师：说的很好，因为艄公……他确实值得敬仰。
（自评：学生已经把答案说了出来，教师再总结完全没有必要，这样浪费了时间，从课的结构上说是教师在演说，在表达、在起到主体作用，现在看来是违背新课程标准之精神的。）
师：那“敬仰”是什么意思？
（学生一时表达不出）
师：请大家打开工具书，查找一下
生：把词典上词语的意思读了下来
师：非常正确，请坐，大家把这个词语的意思写在书上
（自评：强调学生通过工具书查找词语的意思，而没有联系语言环境的实际去感悟内涵，教学目标死板，无法激活学生的思维空间，无法形成学生对语言文字的品味，赏识，只是表面的灌输，积累的只是僵死的解释，说不上灵活运用）
师：再思考一下，艄公为什么能成为黄河的主人？
生：……
（自评：前两个学生回答不完整，教者让他坐下，让其他同学再回答，最后一个同学回答正确，教者满意地对这个问题进行了详细的总结。问题的提出承接上一个问题的提法，看不到问题的背后留给学生有价值的思考是什么？训练的目的就是会从课本上找出这个问题的答案，达到老师满意为止。因为和教师预想的结论不同，一句“不正确”否定了学生的一切，掐断了学生思维的引信。）
今天的我是這样领着学生分析这一自然段的：
师：请大家认真仔细地读这一节文字，你认为艄公值得敬仰和赞颂吗？
生：各抒己见，场面热烈气氛活跃。
（自评：留给学生发言的机会，对任何事物的认识，由于个体的不同，认识的程度也有不同，我们应该允许我们的教育对象对同一事务有不同的认识，哪怕这种认识是错误的，但它是学生认真思考，分析的结果，教育的目的正是引导学生如何在具体解决问题的过程中去分析，形成自己的解决问题的能力，对于结果的正确与错误，不应作为衡量的唯一标准。换一个角度提出同一个问题，引发了异彩纷呈的发散思维，学生自发地思考、分析，自然地引出了文中值得敬仰的精彩语句，在悟的基础上，学生情感、态度、价值观得到了潜移默化的培养。）
师：同学们的回答精彩极了，请你再读课文，你认为“敬仰”在这段文字中代表着什么？前后同学互相讨论，你怎么认为就怎么说。
生1：就是敬佩
生2：就是人们对艄公很佩服
生3：就是筏子上的人认为艄公了不起……
师：读完这段话，你想对艄公说些什么？说说心里话，我们来共同讨论。
生1：艄公的沉着冷静让我从心眼里佩服，我长大以后一定要学习他的这种精神。
生2：艄公真是伟大，我希望和他交朋友……
（自评：这个问题的答案，教师切不可力求一致，淡化正确与错误，教师放下师道尊严的架子，与学生平等交流，激活了课堂气氛，目的是培养树立学生发散思考分析的能力，语言表达的能力，爱憎分明地陈述自己的观点，升华个体的情感。）
案例反思：
一、科学的阅读分析应倡导以人为本，以学生的发展为本
同一段文字，教者由于前后认识上的巨大变化，而体现出的对同一教学内容的不同处理方法，读者很容易看出，什么是科学的“阅读分析”，什么是陈旧的破碎灌输式的“繁琐分析”。新课程倡导以人为本，以学生的发展为本，笔者在教学中以学生为主体、为中心，充分尊重学生的不同意见，鼓励学生大胆陈述自己的观点，陶行知先生强调“在做上教，在做上学”，关键是落在“做”上,多次出现“你认为”、“你说的棒”等字眼，肯定了学生的努力，笔者放下了自己师道尊严的架子，走到学生中间，进行平等交流，惟有平等才能营造出民主的氛围，使交流更加深入，才能激活思维，使学生在获取知识的同时增强能力，提高素质。
二、科学的阅读分析应重在对学生分析思考，合作交流能力的培养
新课程要求我们在教学中，要训练学生学会思考，学会分析，，犹如刚学走路的娃娃，我们的任务不是永远架着、背着他走，而是有意识地半扶半放地教他掌握行走的技巧，形成行走的能力，最终自己行走。在这个过程中，跌到和失败并不可怕，它是一切实物发展的必然，经历了着可贵的过程，能力不知不觉中培养了起来，教学中一个问题的提出，界定它是否有价值的科学依据，是看它能否激活个体的思维细胞，能否对其进行有条理的分析思考能力的培养。两种教法的对比明显看出前一种是灌输式的、支离破碎式的、机械式的繁琐分析，留给学生的只是麻木地、被动地接受知识，至于形成能力，生成新的知识，就更无从谈起了。后一种教法则处处闪烁着新理念的火花，任何地方都是有意识地，从培养学生，锻炼能力入手，解决问题提高能力。
三、科学的阅读分析应倡导激活学生的思维感官，产生欲罢不能的冲动
新课程标准提出，针对以前的教学模式，要做到破旧立新，破中有立，破的是陈旧的思想。我们一直认为懂规矩，听老师的话是好学生，试想在课堂上，如果大家都按老师想的去做，师说一生不说二，回答问题要想着说老师希望说的话，课堂是十分安静，但学生的奇思妙想被扼杀了。创造性的火花被泯灭了，生动活泼的个性被压抑学生应有的自由被抛到了九霄云外，在这种情况下，学生的思维感官能被激活吗？
科学的分析应注重每一个点都要朝能激活学生的思维方向努力。使学生兴奋起来，教材只是个载体，我们的目的要通过分析教材的语言文字使学生形成分析解决，其它问题的能力。
第二种教法中，对学生回答不全面的问题，笔者立刻点出来：你分析的很好，有进步，如果能更全面点就更好请你再思考应该怎么回答，学生不甘失败地坐下了。在肯定学生的同时，对不正确的地方要点出来，点的要艺术，要恰到好处。不伤其自尊，同时又启迪思维，产生一种兴奋，一种欲罢不能的冲动。创新的火花往往在这种冲动中迸发出来。
四、科学的阅读分析应重在对学生积极情感、态度、价值观的培养
学生的情感、态度、价值观是在分析解决问题的过程中得到培养的，不是故意做作的举动，是一种自然的流露。陈旧灌输式的繁琐分析对学生进行的情感教育都停留在老师的总结中，教材的语言文字在中。培养出来的是只会记、背、默，不会丝毫灵活运用的迂腐麻木的“能力”。科学的阅读分析对学生的情感价值观教育是学生自发生成的，教材的语言文字之外的，真实的情感体验，无须老师的总结。