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太阳能电磁助力单车论文
太阳能电磁助力单车论文【1】
关键词：太阳能;电磁助力单车;助力装置;自行车;零排放
本发明是一种属于载运工具技术领域的低成本太阳能电磁助力单车，性能上克服了现有机械液压助力系统能耗比较高、管路结构非常复杂、各种控制油液的阀门数量繁多以及电动助力转向系统中该系统隔离了人与路面的直接联系，使得路感信息匮乏、存在超调等缺陷，并且巧妙地运用电磁助力盘来实现转向助力。
低成本太阳能电磁助力单车是针对现今电动车费电、燃油车排废气而设计的，对环境保护具有重大的意义。
1 研究目标
通过电磁助力盘实现自行车骑行助力，自行车的机械结构没有任何改变，能提高骑行者的乐趣。
该自行车采用太阳能电池板供电，节省能源，节省自行车骑行者的体力，让自行车的骑行变得轻松，避免了现有电动助力车电子部件较多、电机和蓄电池重量过大的缺点，助力系统重量极低，是一种性能优越、外观小巧的助力装置，结构极其简单，提高了可靠性，降低了制造成本，实现了轻便、节能、响应迅速的目标，兼具多种优点。
2 未来前景
目前对环境最友好的交通工具就是自行车，但是自行车却限于骑行者的体力，如何以最小的改变来节省自行车骑行者的体力，让自行车的骑行变成一种轻松快乐的行为，这就需要一种性能优越小巧的助力装置。
本发明采用电磁助力盘实现自行车骑行助力，由于本发明没有采用电动机，因而无需通过控制程序控制电动助力系统，这就完全消除超调，自行车的机械结构没有任何改变，助力系统也不会改变骑行者的感觉，提高了骑行者的乐趣;本发明采用太阳能电池板供电，节省能源，刹车时，将机械能转化为电能，实现自动回馈电能，节省自行车骑行者的体力，避免了现有电动助力车重量过大的缺点，助力系统重量极低，是一种性能优越小巧的助力装置，结构极其简单，提高了可靠性，降低了制造成本。
该发明实现了轻便、节能、响应迅速的目标，兼具多种优点，改变了现有电动自行车的缺点，极具市场前景，对保护环境具有重大的意义，对自行车的普及使用具有极其重要的价值。
3 工作原理和方案
1.刹车把;2.太阳能电池板;3.踏板;4.位置传感器;5.电磁助力装置;6.太阳能电池板;7.蓄电池;8.助力永磁体;9.轮胎;10.辐板外沿;11.后上叉;12.线路;13.辐板孔;14.电控板
电磁助力盘5由一对左右助力电磁铁、对应的助力电磁铁线圈及刹车皮组成，电磁铁为U形电磁铁，该电磁铁采用硅钢片等具有退磁特性的材料，电磁助力盘设置外壳，助力电磁铁线圈缠绕在U形电磁铁中央腰部，自行车刹车皮设置燕尾槽，可安装固定于U电磁铁两端头部位，整个电磁助力盘5安装在原刹车皮位置，取代原刹车皮，左右电磁助力盘5固定于自行车的刹把闸上，刹把闸安装于自行车的后上叉11上，电磁铁线圈供电线与刹车线归并为一束刹车电控组合线12，U形电磁铁一侧安装固定一个传感器固定支架。
该固定支架设置一个位置传感器4，位置传感器4由位置信号电磁感应线圈及其电磁铁心构成，该支架长度可以微调，使得电磁助力盘5与位置传感器4中心间距精确等于辐板外沿10上两个助力永磁体8之间的中心间距。
扭矩传感器是将一对扭矩信号触发齿固定安装在中轴上，两个扭矩信号触发齿环的外形和相位完全相同，扭矩信号感应线圈安装固定在中轴套上，扭矩信号触发齿为n个小永磁体，均分圆周360度，转动时，扭矩信号感应线圈产生感生电动势，骑行者踩踏脚踏板3，曲柄施加扭矩于中轴，使得中轴发生弹性变形，每一对扭矩触发信号之间存在相位差，利用现有相位差转换电路将一对触发信号间相位差转换为扭矩电压信号。
助力的基本原理是：前方位置传感器探测到存在磁极N，同时扭矩传感器检测到骑车人对踏板施加压力，通过单片机给出控制信号，使电流通过电磁助力线圈L1和L2，L1产生磁场SN，L2产生磁场NS，此时下一个左侧助力永磁体的N极处于U形电磁铁SN之间，右侧永磁体的S极处于U形电磁铁NS之间，同时产生一个向前的拉力，车轮开始运动，前方位置传感器探测到存在磁极S且扭矩传感器也发出信号。
通过单片机给出反向控制信号，反相电流通过助力线圈L1和L2产生反向磁极，L1产生磁场NS，L2产生磁场SN此时下一个左侧助力永磁体的S极处于U形电磁铁NS之间，右侧永磁体的N极处于U形电磁铁SN之间，也产生一个向前的拉力，推动车轮继续运动，从而实现助力。
参考文献
[1] 孟昭渊，李金刚.太阳能电动自行车可行性分析与实践[J].太阳能，2007，(7).
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电磁学中关于能量的思考【2】
摘 要：本文应用能量守恒定律验证了静电场有旋性，解释了愣次定律，并处理了一道具体的电磁学题目，从而强调了电磁场作为物质存在的一种普遍形式具有物质性，自然界中最普遍的一种能量――电磁能的存在就是其物质性的体现。
关键词：电磁学 场 能量守恒定律
电磁学理论是物理体系中的重要组成部分，电场的性质是对处于其中的电荷有力的作用，磁场的本质则是对处于其中的运动电荷有力的作用。
因此我们在教学中往往是强调电场、磁场的方向及其中电荷所受的力，而忽视了场作为物质存在的一种普遍形式是具有能量的。
如果将自然界的基本规律――能量守恒定律应用到电磁场之中，对一些电磁现象、定律的理解及一些电磁学题目的求解将起到事半功倍的效果。
下面我们就一些实例来讨论：
一、应用能量守恒定律验证静电场的电场线不相交
静电场中的电场线是永不闭合的曲线，这一特点叫做静电场的无旋性。
静电场的这一特点实际上是和电磁相互作用过程中的能量守恒联系在一起的。
如图1所示，假设有一电场线闭合成为一个逆时针方向的圆周，我们就可以以该圆周的大小制作一个圆盘并使其边缘带电，例如带正电，然后将圆盘放在该电场中。
由于圆盘上每一个地方受到的电场力都沿着电力线的切线方向，对圆心的力矩都沿着逆时针方向，我们将会发现圆盘会加速转动，动能不断增加。
这显然违背了能量守恒定律，因此，静电场的电场线是不能闭合的。
二、应用能量转化和守恒定律推导法拉第电磁感应定律
在现行人教版高中物理课本中，讲到关于法拉第电磁感应定律传统的推导方法时，先是“法拉第在大量精确实验的基础上归纳得出”，直接提出感生电动势的公式E=n ，而后在这个公式的基础上提出动生电动势E=Blv。
这样让人较难理解，一是与前面知识结合不紧密，二是对这个公式只能采取死记硬背，效果也不太理想。
如果用能量转换和守恒定律来推导一下，可能效果就大不一样。
在如图2所示的匀强磁场中，设磁感应强度为B，有一个矩形线框abcd放在这个磁场里，它的平面与磁感应线垂直，导线ab的长度为l，它在与磁感应线垂直的方向上以速度v向右运动。
设导线在△t时间内，由原来位置ab移动到位置a′b′，则aa′=vΔt。
要使导线ab在切割磁感应线的过程中能产生动生电动势E，即其他形式的能通过导线ab做功转化的电能为：W=qE=EIΔt。
而要使导线能以稳定的速度v做切割磁感应线的运动，它必定受到平衡力的作用，就有：F =F 。
则外力对导线ab所做的功为：W=F S=F S=BIlvΔt。
根据能量转换和守恒定律：EIΔt=BIlvΔt，所以E=Blv。
三、应用能量守恒定律解释愣次定律
1833年，愣次在总结大量实验的基础上，提出了一个判定电磁感应中感应电流方向的法则，即愣次定律。
其内容如下：闭合回路中感应电流I的方向，是要使感应电流在回来所围面积上产生的磁通量，去抵消或反抗引起感应电流的磁通量的变化。
考虑图3所示的那样一个实验，一块条形磁铁穿过一个闭合线圈的过程。
图(a)是磁铁向左运动靠近线圈的情况，由愣次定律可判断线圈中感应电流的方向如图所示。
图(b)是磁铁已穿过线圈继续向左运动的情况，同样由愣次定律可判断出线圈中感应电流I′的方向如图。
下面我们就从能量守恒的角度来解释上述现象。
在实验中闭合线圈里有感生电流产生，于是线圈中应有能量释放出来，如发出焦耳热。
应该考虑一下，这些能量究竟是从哪儿来的?看图(a)，电磁感应在闭合线圈上产生的电流会形成一个磁矩，按右手螺旋法则，磁矩向右，即右边是N极。
线圈的N极会排斥磁铁的N极，阻止它的相对运动。
因而，要进行电磁感应，磁铁就必须要克服斥力而做功，通过做功，磁铁运动的机械能转化为了电能。
同样图(b)的过程中磁铁也要克服引力做功，把机械能转换为电能。
可见电磁感应中释放的能量并不是凭空而来的，而是其它能量如机械能转换而来的。
如果楞次定律不是感应电流的磁通量去反抗引起感应电流的磁通量的变化，而是支持这种变化，那么上述实验中的一切都会倒过来，那物理学就会天下大乱了。
试想在图(a)中，我们只须给磁铁一点很少的启动能量使之向左运动，如果楞次定律反过来，那么磁铁受到的就将是引力而不是斥力，它就会加速通过线圈，然后继续加速向左运动。
在左侧安装一个弹性壁使之反弹向左并继续加速，然后反弹加速……这样我们就能在磁铁上获得源源不绝的机械能，在线圈上获得无穷无尽的电能，而我们却没有输入任何能量。
可见，楞次定律是能量守恒定律这个自然界的普遍法则在电磁感应中的体现。
四、应用能量守恒定律求解电磁学中的具体题目
我们看下面一道例题：在如图4所示的装置中，当不太长的条形磁铁在闭合线圈内做振动时()。
A. 振幅会逐渐增大B. 振幅会逐渐减小
C. 振幅不变D. 振幅先减小后增大
这道题目可以由愣次定律判断每一种情况下磁铁的受力方向，综合各种情况得出振幅会逐渐减小的结论，即B选项，但是其过程比较繁琐。
下面我们从能量守恒的角度来判断：当磁铁通过线圈时，线圈会产生感应电流，随即产生焦耳热。
由能量守恒定律可以判断能量不会凭空产生，此题中焦耳热必然由系统机械能转化而来。
当机械能减少时，简谐振动系统的振幅必减小，同样我们判断出正确答案为B选项。
从对比中可见，后一种解法条理清晰、简洁明了，解题效率较高。
需要强调的是我们在应用电能、磁能时，应认识到电磁场的能量是储存在场中而不是储存在激发电磁场的电荷中。
这一点我们可以简洁地说明如下：现在人类已能探测到一百亿光年以外星体的发光，光是电磁波即变化的电磁场。
最初产生电磁场的那些电荷分布现在是否存在我们无从知道，但它产生的电磁场所依然存在，并能携带着能量来启动我们的仪器使我们探测到它的存在，可见能量确实存在于场之中，电能就是电场的能量，磁能也就是磁场的能量。
本文列举了几个应用能量守恒定律处理电磁学问题的实例，强调了电磁场不仅仅是对处于其中的电荷有力的作用，作为物质存在的一种普遍形式具有物质性，自然界中最普遍的一种能量――电磁能的存在就是其物质性的体现。
参考文献：
[1]贾起民，郑永令，陈暨耀.电磁学(第二版).高等教育出版社，2001.
[2]郭奕玲，沈慧君.物理学史.清华大学出版社，1993.
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