专利名称：相对论生电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高等学校物理专业教学实验设备，也涉及一种新型产生电的设备。
相对论和量子力学是近代理论物理两大支柱。然而在高校物理专业近代物理实验中，却没有一个实验是验证“宏观物体运动的相对论效应”的。或者说，至今，在实验室水平上，还无法直接测量出宏观物体运动的相对论效应。因为宏观物体的运动速度远小于光速，一般认为相对论效应是无法观测的。
应当说明，所谓相对论效应有很多，有运动学效应如时间膨胀、洛仑兹缩短等；也有动力学效应如电磁场的洛仑兹协变性。在一个静止的宏观永磁体内(取为坐标系S′)，只有磁场，没有电场。当这个磁体以高速(仍比光速低得多)运动时，在实验室坐标系(取为S系)中观察，就“看到”有电场存在。所谓“看到”，是加引号的，因为电、磁场本身不能用肉眼看。这里说的“看到”是指测量。就是说，磁场运动产生的电场具有可直接测量的效应。这是一种相对论动力学效应。是相对论中洛仑兹协变的结果。目前尚没有采用这种相对论原理的生电设备即“相对论生电机”。
本发明的相对论生电机是利用电磁场的洛仑兹协变性来产生电。在一个永磁体(取作S′坐标系)中只有纯粹的磁场，没有电场。当这磁体高速运动时，在实验室坐标系(取作S坐标系)观测，会看到有电场存在(参见虞福春郑春开《电动力学》286页，1992北大出版社，或俎栋林《电动力学》讲义205页方程(6.5.12)，北京大学教材中心，2002)。这是纯粹的相对论效应。沿电场方向的路径积分就是电动势。如果沿此路径设置导体，就有可能引出电流。这电动势可直接用电压表进行测量。也有可能点亮发光二极管。
利用相对论产生电需要两个条件一是强磁场。采用“自屏蔽魔球永磁体”(以下称魔球磁体，如图3，参见《大学物理》第20卷第3期第17-20页，2001年3月)，可以获得强磁场。而且魔球磁体能把磁场完全集中在自身内部。
二是高速连续运动。虽然惯性系必须是直线运动，但“一次通过”式的直线运动不便于观察相对论效应。因此，这里考虑采用转动的方式(参见美国“科学”杂志的文章J.C.Hafele，R.E.Keating，Science 177，p166-168，1972.那里把地球公、自转都近似当惯性系处理)，一方面容易驱动，另一方面容易形成连续运动，便于操作和观测。这时，把坐标系考虑为“瞬时惯性系”是成立的。
下面结合附图详述本发明的技术方案如
图1所示，相对论生电机包括转子、支架和驱动装置，所述转子包括钕铁硼材料构成的魔球磁体，魔球磁体中磁化强度M的分布满足M→=M0(er→cosθ+eθ→sinθ)]]>规律(参见《大学物理》第20卷第3期第17-20页，2001年3月)，由114块具有不同磁化方向的钕铁硼块近似模拟、或用62块近似模拟、或任意4n×(2m+1)+2块(n、m为自然数)近似模拟所述M的分布规律。魔球磁体沿z轴贯通一根硬导体转轴。为了引出协变电流，在垂直于z轴的中垂面即赤道面上置一1到几毫米厚的导体板，可以采用铜、铝或铁板。魔球被导体板等分，导体板和转轴电连接。这样，就形成了一个魔球转子。一个两端带有轴承的支架，把魔球转子支撑起来，魔球转子的转轴两端安装在支架两端的轴承中，其中一端或两端连接驱动魔球转子转动的驱动装置，该驱动装置可以为马达或手摇驱动。在对准魔球转子的赤道(定义为xy平面)上一点安装电刷，魔球转子高速转动时，则电刷和转轴之间存在电动势，可引出协变电流。因为在实验室系中固定一点(在赤道电刷位置)向转轴看，不同半径处具有不同的线速度v(r)，在任一瞬时刻，V(r)具有确定的大小和方向。因此，在无穷多瞬时惯性系S′(r)和S系(电刷)之间可以运用洛仑兹变换(类似的处理可参见俎栋林《电动力学习题解答》72页，北京大学教材中心，2002)。
所述硬导体转轴为无磁不锈钢转轴。为改善转轴的导电性，在转轴外面包覆一层铜皮。
为了方便引出电流，所述转轴处也可以安装有电刷。
所述相对论生电机还包括一个底板，支架安装在底板上，支架和底板之间是电绝缘的，可以采用聚四氟乙烯垫片将支架和底板绝缘开。
所述相对论生电机，在赤道面上的电刷和轴承之间接入电测量设备，如电压表、电流表、发光二极管、液晶显示器、收音机或其它电路和元器件等。魔球转子转速足够大时，能够点亮发光二极管，可以清楚地测量电磁场的相对论协变性。
所述魔球磁体还可以罩有一个钕铁硼外球壳，外球壳中M的分布满足M→=M0(e→rcosθ-e→θsinθ)]]>规律。外球壳起屏蔽作用，但并不是必须的。没有它，生电机照样可以工作。
本发明的相对论生电机，转轴及轴承是一端电极，离转轴最远端是另一电极(安装电刷)。当转动魔球转子时，在转轴和赤道面上的电刷之间的电动势可用电压表进行测量。
本发明的优点和积极效果采用本发明的相对论生电机，可以配合“相对论电动力学”理论课程的教学，让学生亲眼观察、亲手测量电磁场的相对论协变性，增加感性认识，以加深对相对论理论内涵的理解。
图中，11，12-魔球磁体；13-无磁不锈钢转轴，14-赤道面上的圆铜板，15-铜皮，21、22-支架，23、24-轴承，25-底座板，26-绝缘立板，27-电刷，28、29-电绝缘垫，311、312、313、314、315、316、317、318、321、322、323、324、325、326、327、328-纬线。
该生电机的转子结构示意图如图1所示。钕铁硼是强磁材料，其磁能积很高，利用钕铁硼制作一个魔球磁体11，其直径为15厘米，总重量约为18公斤，外球壳厚度为7.5毫米。一根直径为1cm的无磁不锈钢转轴13沿z轴穿过魔球磁体，该转轴13与魔球磁体的对称轴同轴。
如图2所示；在垂直于z轴的中垂面即赤道面上置一厚度为2毫米的薄铜板14，魔球磁体11被薄铜板14等分，薄铜板14和转轴13是电连接的，为改善转轴13的导电性，在转轴13外面包覆一层铜皮15。魔球磁体11通过转轴13安装在两块不锈钢立板构成的支架21和22上的轴承23和24中。支架23和24安装在不锈钢底座板25上，支架23、24和底座板25之间用聚四氟乙烯垫片28、29电绝缘开。在铜板14底下固定一个绝缘立板26，在其上安装电刷27。电刷27和铜板14保持电接触。转轴13的一端与驱动装置连接。
当转轴13转动带动魔球磁体11旋转时，则电刷27和转轴13之间存在电动势，可引出协变电流。如果用每秒50转的交流马达驱动转轴13，协变电动势可达1.2伏，足以点亮发光二极管。如果用手摇驱动，设每秒2转，电动势也可以达到45毫伏，用电压表可以测量出来。
如图3所示，是魔球磁体11内部磁化强度M的分布图。魔球磁体包含内球31和外球32。内球是主体，外球起磁屏蔽作用。在内球31中，磁化强度M的大小不变，方向按图示的规律变化。在外球32中磁化强度M的大小和方向都不变，M总是沿z轴方向。图3(a)是y-z平面剖视图；图3(b)是x-z平面剖视图。总之M的分布是关于z轴旋转对称的。
如何使M的分布满足图3所示规律？根据公式M→=M0(er→cosθ+eθ→sinθ)]]>M0是磁化强度的大小，方向由因子(er→cosθ+eθ→sinθ)]]>决定，当θ＝0°时，sinθ＝0，cosθ＝1，于是 ，即M沿北极轴(+z轴)方向；当θ＝90°时，sinθ＝1，cosθ＝0， ，则M指向-z方向；当θ＝45°时，(er→cosθ+eθ→sinθ)=er→2+eθ→2]]>，则M垂直于z轴向外。魔球是由114块拼合粘接起来的，在每一块中，M的磁化方向相同，大小相等。具体说，可以像地球仪那样把球面划分经纬线，赤道是0度纬线，从北纬78.75度线向球心联线形成一个圆锥体。同样，从南纬78.75度线向球心联线形成另一个圆锥体。把这两个圆锥体拿出来后，剩余部分用等角间隔的六个纬度线(北纬56、北纬33.75、北纬11.25、南纬11.25、南纬33.75、南纬56)和球心的联线把剩余球体分为7个环锥。然后再用等方位角(360度/16＝22.5度)的16条经线把7个环锥等分，这样可得到7×16＝112个四棱锥体，加上前面所说的两个圆锥体，总共是114块。把设计好的这些块用钕铁硼材料加工，各块按照图3所示的方向进行磁化，然后，把它们拼合粘接成一个整球，此球就是魔球。对于生电机来说，预先设计时还要考虑转轴和赤道铜板。
311、312、313、314、315、316、317、318分别标出了北纬78.75、北纬56、北纬33.75、北纬11.25、南纬11.25、南纬33.75、南纬56、南纬78.75度的位置。
纬线321、322、323、324、325、326、327、328也是同样的。只不过是在y-z剖面上看，而前者是在x-z剖面上看。为的是说明M是关于z轴对称的。
权利要求
1.相对论生电机，包括转子、支架、驱动装置，其特征在于，转子包括由钕铁硼材料构成的魔球磁体，磁体中磁化强度M分布满足M→=M0(er→cosθ+eθ→sinθ)]]>规律，由114块具有不同磁化方向的钕铁硼块近似模拟、或用62块近似模拟、或任意4n×(2m+1)+2块(n、m为自然数)近似模拟所述M的分布规律；魔球磁体沿z轴贯通一根硬导体转轴；在垂直于z轴的中垂面即赤道面上置一1到几毫米厚的导体板，导体板和转轴电连接；所述支架两端带有轴承，转子的转轴两端安装在支架两端的轴承中，转轴一端或两端连接驱动装置；赤道导体板与电刷连接。
2.如权利要求1所述的相对论生电机，其特征在于所述硬导体转轴为无磁不锈钢转轴，转轴外面包覆一层铜皮。
3.如权利要求1或2所述的相对论生电机，其特征在于所述相对论生电机还包括一个底板，支架安装在底板上，支架和底板之间电绝缘。
4.如权利要求1或2所述的相对论生电机，其特征在于电刷和轴承之间接入有电测量设备。
5.如权利要求1或2所述的相对论生电机，其特征在于所述魔球磁体罩有一个钕铁硼外球壳，外球壳中M的分布满足M→=M0(e→rcosθ-e→θsinθ)]]>规律。
6.如权利要求3所述的相对论生电机，其特征在于电刷和轴承之间接入有电测量设备。
7.如权利要求3所述的相对论生电机，其特征在于所述魔球磁体罩有一个钕铁硼外球壳，外球壳中M的分布满足M→=M0(e→rcosθ-e→θsinθ)]]>规律。
8.如权利要求4所述的相对论生电机，其特征在于所述魔球磁体罩有一个钕铁硼外球壳，外球壳中M的分布满足M→=M0(e→rcosθ-e→θsinθ)]]>规律。
全文摘要
本发明提供了一种相对论生电机,包括转子、支架和驱动装置,所述转子包括钕铁硼材料构成的魔球磁体,魔球磁体中磁化强度M的分布满足M＝M
文档编号H02K57/00GK1385953SQ02123529
公开日2002年12月18日 申请日期2002年7月2日 优先权日2002年7月2日
发明者俎栋林 申请人:俎栋林