电磁铁演示装置及电磁铁演示仪器的制作方法

本实用新型涉及物理教辅演示技术领域，尤其是涉及一种电磁铁演示装置及电磁铁演示仪器。

背景技术：

物理是一门以实践为基础的学科，物理实践能够帮助教师和学生更好的讲授以及理解学习相关物理知识。在实际的物理实践教学中，为了更加形象地说明物理问题，物理教学的开展需要教具的辅助。

目前，物理教具主要分为演示型教具和实践型教具，演示型教具以教师操作演示为主，具有生动形象的特点，相比较而言，实践型教具以学生实践为主，具有直观的特点。以奥斯特实验演示教具为例，奥斯特实验表明：通电导线周围存在磁场，即电流具有磁效应，奥斯特实验电流方向与磁极间的关系则可由安培定则来判断，其演示教具包括电源、小磁针、导线和开关，演示教具整体原理浅显易懂，现象直观明了。

在实现本实用新型过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：传统的电磁学教学教具枯燥乏味，缺乏趣味性，展示性差，教师难以通过教具调动起学生的学习积极性，教师为了提高演示实验的趣味性，结合实际教学自制电磁学相关教具，又受到时间、条件等因素的限制，难以完成生动直观的教具模型，为教学教具的普及推广带来了困难，因此，现有技术存在演示功能单一、演示过程缺乏趣味性的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种电磁铁演示装置及电磁铁演示仪器，以缓解了现有技术存在演示功能单一、演示过程缺乏趣味性的技术问题。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种电磁铁演示装置，包括电磁铁组、图形演示面板、驱动电路和音频处理器；

所述电磁铁组设置于所述图形演示面板的底部，且与所述驱动电路相连接；

所述驱动电路还与所述音频处理器连接；

所述音频处理器对音频文件进行频谱分析，生成并发送音频频谱信息；

所述驱动电路接收所述音频频谱信息，生成并发送电磁铁驱动信息；

所述电磁铁组根据所述电磁铁驱动信息启动；

所述图形演示面板根据电磁铁的启动规律进行图形的显示。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述电磁铁组包括64根电磁铁，每根所述电磁铁包括铁芯和缠绕于所述铁芯外部的线圈。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述64根电磁铁排列方式为8行8列的矩形排列，且列宽与行高相等。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述驱动电路包括音频频谱分析模块和电磁铁驱动模块；

所述音频频谱分析模块的输出端与所述电磁铁驱动模块的输入端相连接；

所述音频频谱分析模块接收并分析所述音频频谱信息，划分音频频谱区间；

所述电磁铁驱动模块根据所述音频频谱区间，生成并发送电磁铁驱动信息。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述音频处理器为WD302416频谱器。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，还包括与所述音频处理器及所述驱动电路相连接的供电装置；

所述供电装置输出为DC15V。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，还包括与所述音频处理器相连接的音频播放器；

所述音频播放器播放所述音频文件。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述图形演示面板包括第一亚克力隔板、第二亚克力隔板以及置于第一亚克力隔板与第二亚克力隔板之间的金属粉末。

结合第一方面的第七种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述金属粉末为铁粉。

第二方面，本实用新型实施例还提供一种电磁铁演示仪器，包括：主体机箱、支撑底座和上述电磁铁演示装置；

所述支撑底座设置于所述主体机箱的底部，且与所述主体机箱通过螺栓固定连接；

所述电磁铁演示装置通过螺栓固定于所述主体机箱的内部。

本实用新型实施例带来了以下有益效果：本实用新型所提供的电磁铁演示装置包括电磁铁组、图形演示面板、驱动电路和音频处理器，电磁铁组设置于图形演示面板的底部，且与驱动电路相连接，驱动电路还与音频处理器连接，音频处理器对音频文件进行频谱分析，生成并发送音频频谱信息，驱动电路接收音频频谱信息，生成并发送电磁铁驱动信息，电磁铁组根据电磁铁驱动信息启动，图形演示面板根据电磁铁的启动规律进行图形的显示。该技术方案通过采用频谱分析技术与奥斯特实验原理相结合，将音频文件与电磁铁启动的图形显示相匹配，图形演示切换的响应时间短，其与音频文件的播放同步程度高，丰富了物理教具的演示功能，增强了演示过程的趣味性，演示过程形象生动且操作简便。学生还可以通过该装置对演示过程进行全程观摩，有助于学生理解物理实验的理论原理，激发学生的学习积极性。缓解了现有技术存在的演示功能单一、演示过程缺乏趣味性的技术问题。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的电磁铁演示装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的电磁铁演示装置中，电磁铁组的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的电磁铁演示装置中，图形演示面板的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的电磁铁演示仪器的结构示意图。

图标：

100-电磁铁演示装置；110-电磁铁组；111-铁芯；112-线圈；120-图形演示面板；121-第一亚克力隔板；122-第二亚克力隔板；123-金属粉末；130-驱动电路；131-音频频谱分析模块；132-电磁铁驱动模块；140-音频处理器；150-供电装置；160-音频播放器；200-主体机箱；300-支撑底座。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

目前，传统的电磁学教学教具枯燥乏味，缺乏趣味性，展示性差，教师难以通过教具调动起学生的学习积极性，教师为了提高演示实验的趣味性，结合实际教学自制电磁学相关教具，又受到时间、条件等因素的限制，难以完成生动直观的教具模型，为教学教具的普及推广带来了困难，基于此，本实用新型实施例提供了一种电磁铁演示装置及电磁铁演示仪器，可以丰富物理教具的演示功能，增强演示过程的趣味性。

参见图1，本实用新型实施例提供的电磁铁演示装置的结构示意图。本实用新型实施例提供的电磁铁演示装置100，包括电磁铁组110、图形演示面板120、驱动电路130和音频处理器140。

电磁铁组设置于图形演示面板的底部，且与驱动电路相连接。电磁铁组采用铁芯柱或硅钢片叠层作为磁轭，磁轭通常指本身不生产磁场、在磁路中只起磁力线传输的软磁材料，磁轭普遍采用导磁率比较高的软铁、钢以及软磁合金来制造，在某些特殊场合，磁轭也有用铁氧体材料来制造的。因此，上述铁芯柱磁轭也可以采用铁氧体材料。由于磁轭的存在，可以实现将通电线圈生产的磁力线传输到指定位置的目的，减少漏磁现象的发生。

具体的，本实用新型实施例提供的电磁铁演示装置中，电磁铁组包括64根电磁铁，每根电磁铁包括铁芯111和缠绕于铁芯外部的线圈112。电磁铁组是实现图形演示的基础装置，该电磁铁组中的铁芯长度及直径根据电磁铁演示装置的整体尺寸可做适当的调整，一般情况下，课堂教学所采用的铁芯长度为80至100毫米，直径为5至10毫米。铁芯外部采用导电性能强的铜质导线或铝质导线，在铁芯外部顺时针或逆时针缠绕导线，通电时导线中存在电流，根据奥斯特实验原理，通电导线周围存在磁场，由于铁芯磁轭的作用，将通电导线产生的磁场聚集，此时铁芯带有磁性。根据安培定则，能够判断此时铁芯的磁极。当线圈中的电流中断时，铁芯的磁性立即消失，通过控制线圈通电情况，实现铁芯的磁性可控，从而达到切换演示图形的目的。

进一步的，本实用新型实施例提供的电磁铁演示装置中，64根电磁铁排列方式为8行8列的矩形排列，且列宽与行高相等。参见图2，本实用新型实施例提供的电磁铁演示装置中，电磁铁组的结构示意图。电磁铁成矩阵均匀排布，与置于电磁铁组上方的图形演示面板在位置上相对应，当电磁铁组中的电磁铁成规律的启动时，图形演示面板中的铁粉受到电磁铁组中电磁铁的磁力吸引作用，向有磁性的电磁铁移动，形成连贯动作或特定图形。

音频处理器对音频文件进行频谱分析，生成并发送音频频谱信息。音频处理器的输入端接收音频文件，对接收到的音频文件进行频谱分析，得到与该音频文件对应的音频频谱信息，频谱是频率谱密度的简称，是频率的分布曲线，复杂振荡分解为振幅不同和频率不同的谐振荡，这些谐振荡的幅值按频率排列的图形叫做频谱。上述音频频谱信息包括音频文件的频段信息，如高音频段、中高音频段、中低音频段及低音频段，最后将音频频谱信息发送至与其连接的驱动电路。

具体的，本实用新型实施例提供的电磁铁演示装置中，音频处理器为WD302416频谱器。WD302416频谱器配有电源及接地引脚、电平调节引脚、3个信号输入引脚及41个输出引脚，能够控制16行24列的驱动输出信号。

上述驱动电路还与音频处理器连接。音频处理器的输出端与驱动电路的输入端相连接。驱动电路接收音频频谱信息，生成并发送电磁铁驱动信息。不同的音频频谱信息对应着音频文件中不同的声音频段，不同的声音频段对应着不同的电磁铁驱动信息，根据电磁铁驱动信息启动电磁铁，实现图形演示面板中的图形切换。

具体的，本实用新型实施例提供的电磁铁演示装置中，驱动电路130包括音频频谱分析模块131和电磁铁驱动模块132。音频频谱分析模块的输出端与上述音频处理器的输出端相连接，音频频谱分析模块的输出端与电磁铁驱动模块的输入端相连接。

音频频谱分析模块接收并分析音频频谱信息，划分音频频谱区间。音频频谱分析模块根据由音频处理器发送的音频频谱信息，得到音频频谱的频段信息，根据该频段信息对音频频谱进行区间的划分，将高音频段、中高音频段、中低音频段及低音频段分别划分为高音频谱区间、中高音频谱区间、中低音频谱区间及低音频谱区间。

电磁铁驱动模块根据音频频谱区间，生成并发送电磁铁驱动信息。对应于不同的音频频谱区间，电磁铁驱动模块生成不同的电磁铁驱动信息，以通过电磁铁组的磁性分布形成不同的图形。电磁铁驱动模块生成的电磁铁驱动信息包括每个缠绕在电磁铁组中铁芯外部的线圈的通电信息。

电磁铁组根据电磁铁驱动信息启动。电磁铁外部的线圈根据电磁铁驱动信息启动通电或断电，对于每一根电磁铁，当电磁铁驱动信息为启动通电时，线圈通电，线圈所缠绕的铁芯产生磁性，吸引图形演示面板内部的金属粉末，产生位移。当电磁铁驱动信息为断电时，线圈断电，线圈所缠绕的铁芯无磁性，图形演示面板内部的金属粉末无磁力吸引，粉末在其他电磁铁有磁力吸引时，向磁力产生方向移动，或粉末不受磁力吸引，静止在原位置。

图形演示面板根据电磁铁的启动规律进行图形的显示。电磁铁的启动随音频文件所对应的音频频谱信息而改变，即电磁铁遵循一定的规律启动。因此，根据电磁铁驱动信息启动电磁铁时也具有一定的规律性，从而图形演示面板内的图形也具有规律性，增强了物理实验现象的直观性和趣味性。

具体的，本实用新型实施例提供的电磁铁演示装置中，图形演示面板120包括第一亚克力隔板121、第二亚克力隔板122以及置于第一亚克力隔板与第二亚克力隔板之间的金属粉末123。参见图3，本实用新型实施例提供的电磁铁演示装置中，图形演示面板的结构示意图。采用亚克力隔板的图形演示面板具有透光性能好、颜色纯正、色彩丰富、美观平整及使用寿命长的优点，学生能够直观的观察实验现象。金属粉末为能够被磁铁吸引的铁磁性粉末，在展示图形是能够快速响应电学磁铁组产生的磁力，磁力消失时迅速脱离磁力束缚。

进一步的，本实用新型实施例提供的电磁铁演示装置中，上述金属粉末为铁粉。铁粉对于磁力的响应明显，属于软磁性材料，软磁性材料的剩磁与矫顽磁力都很小，即磁滞回线很窄，它与基本磁化曲线几乎重合。不同的铁磁材料磁滞现象的程度不同，磁滞回线水平方向越宽的材料，也就是磁滞回线面积越大的材料，其磁滞现象越严重，即铁粉在通电时能够快速响应磁力吸引，当磁力消失时摆脱磁力束缚速度快，上述金属粉末还可以采用铁合金或其他铁磁性材料制成的粉末，适合进行图形演示。

本实用新型实施例提供的电磁铁演示装置，还包括与音频处理器及驱动电路相连接的供电装置150，供电装置输出为DC15V。供电装置为装置提供稳定的电源输入，根据驱动的电磁铁数量不同可对供电装置的输出参数进行调整。

本实用新型实施例提供的电磁铁演示装置，还包括与音频处理器相连接的音频播放器160，音频播放器播放音频文件。音频播放器的输入端与音频处理器的输入端同步接收音频文件，音频播放器内置音频输出模块，播放接收到的音频文件，同时还可以对音频文件进行控制操作，如调节播放音量。以此达到图形演示面板中的铁粉随着音频播放器播放的音频文件切换图形的演示效果。

参见图4，本实用新型实施例提供的电磁铁演示仪器的结构示意图。本实用新型实施例还提供了一种电磁铁演示仪器，包括：主体机箱200、支撑底座300和上述电磁铁演示装置100。支撑底座设置于主体机箱的底部，且与主体机箱通过螺栓固定连接。机箱主体采用高透光性的亚克力板材，底部配有用于与底座连接的螺纹孔，外部挡板通过玻璃封胶进行连接，视野清晰，便于学生观察实验演示过程。支撑底座采用合金材料，结构稳固耐用，支撑底座上部装配有螺纹孔，与机箱主体底部的螺纹孔配套，主体机箱与支撑底座采用螺栓与螺母固定连接。

此外，电磁铁演示装置通过螺栓固定于主体机箱的内部。主体机箱内部与电磁铁演示装置均配有螺纹孔，用于通过螺栓与螺母固定连接，拆卸维修方便，增强了电磁铁演示仪器的稳定性。

本实用新型所提供的电磁铁演示装置包括电磁铁组、图形演示面板、驱动电路和音频处理器，电磁铁组设置于图形演示面板的底部，且与驱动电路相连接，驱动电路还与音频处理器连接，音频处理器对音频文件进行频谱分析，生成并发送音频频谱信息，驱动电路接收音频频谱信息，生成并发送电磁铁驱动信息，电磁铁组根据电磁铁驱动信息启动，图形演示面板根据电磁铁的启动规律进行图形的显示。该技术方案通过采用频谱分析技术与奥斯特实验原理相结合，将音频文件与电磁铁启动的图形显示相匹配，图形演示切换的响应时间短，其与音频文件的播放同步程度高，丰富了物理教具的演示功能，增强了演示过程的趣味性，演示过程形象生动且操作简便。学生还可以通过该装置对演示过程进行全程观摩，有助于学生理解物理实验的理论原理，激发学生的学习积极性。缓解了现有技术存在的演示功能单一、演示过程缺乏趣味性的技术问题。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。