一种手动的涡电流陀螺
技术领域
本专利涉及一种涡电流陀螺的装置，属于物理实验仪器领域。
背景技术
涡电流是大学物理课程的重点内容，是磁场在导体中激发出电流现象，课堂上涡电流现象通常用涡流管来演示，其特点是：柱状磁体或环状磁体在铜管中或套在铜管外竖直向下运动，观察相同形状大小的磁体和非磁体下落速度来检验涡流效应，常常因管壁摩擦影响了物体的下落等问题的出现，常常被学生质疑，而且它所展示的内容也单一，因此有必要从另一角度设计制作基于手动的、课堂课下便于操作的演示涡电流现象的装置或给出方法，本专利就要解决这一问题。本专利是在国家自然基金项目(项目号：11805107，11405092)、黑龙江省省属高等学校基本业务费科研项目(项目号：135209251)及黑龙江省高等学校教改与应用项目(项目号：SJGY20170385)的支持下完成的。
参考文献：
梁法库、路峻岭.可倒陀螺的机理与制作《物理实验》2002年第3期
梁法库等.一种翻转陀螺 中国专利，专利号2011204168963 授权日2012.07.11
梁法库等.力矩突变时的角动量变化规律的演示与分析《大学物理》2004年02期
梁法库等.对自旋磁陀螺反向倾斜和公转运动的讨论《物理实验》1997.6
发明内容
本专利是解决涡电流现象演示的装置与方法，着重解决在外磁场中一种手驱动的陀螺式涡电流磁力矩进动现象演示的装置。
本专利技术方案：一种手动的涡电流陀螺，主要包括陀螺体和陀螺冒两部分，其特征是：涡电流陀螺(以下简称为陀螺)是由非铁磁材料导体(铝柱或铜柱)加工成的空心陀螺，陀螺体和陀螺冒均由直径相同铝柱(或铜柱等非铁磁材料的导体)加工成的，陀螺体为中空柱面且有陀螺锥形尖头，锥形尖头的锥形为等腰锥形(也就是轴截面为等腰三角形)，锥形尖头(陀螺尖头)顶部(接触平面处)处理成球面；陀螺冒顶的中央有陀螺驱动柱，陀螺体与陀螺冒通过螺纹(陀螺体外螺纹与其相匹配陀螺冒的内螺纹)固定在一起，驱动柱的轴线过锥形尖头顶点(驱动柱的轴线与锥形尖头的轴线重合)。
理论分析，考虑到陀螺稳定性，制作的涡电流陀螺其角速度应满足稳定条件
其中：I3和I分别为对驱动柱轴线和锥形尖头(陀螺尖头)顶部与水平桌面接触点的转动惯量，l为质心到锥形尖头(陀螺尖头)顶部的距离，θ为驱动柱轴线与竖直轴的夹角。
设a为质量m锥形尖头(陀螺尖头)顶部接触水平面的半径，μ为摩擦系数，I3为绕自转轴(驱动柱轴线)转动惯量，由转动定理，有
由初始角速度ω0减速到ω(经历时间t)仍处于稳定状态，有
ω-ω0＝βt
联立上面两式，得出
也就是制作涡电流陀螺要满足条件
也就是说，若实现手动驱动涡电流陀螺绕竖直轴稳定自转到临界稳定的时间为t秒，初始启动的稳定自转角速度为ω0，则制作涡电流陀螺尺寸要满足这一条件；或者说给出了陀螺具体尺寸就决定了自转角速度ω0和稳定的时间t[其中I3和I分别为对驱动柱轴线和锥形尖头 (陀螺尖头)顶部(与台面接触点)的转动惯量(惯性矩)，l为质心到锥形尖头(陀螺尖头)顶部的距离，θ为驱动柱轴线与竖直轴的夹角]。
根据实际，基于利用手驱动涡电流陀螺，设手撵动驱动柱运行的(拇指与食指相对运动) 距离为2cm，每0.25秒拇指与食指相对运动距离也为2cm，驱动柱的直径选择0.5cm，这样驱动涡电流陀螺的角速度为2π(8/0.5π)＝32rad/s(在陀螺冒边缘打一孔，实际测定可以用录像的方法从上往下摄取孔的运动，然后在电脑上结合视频时间轴读取就能估算陀螺转速了)，可见，若手动驱动涡电流陀螺绕竖直轴稳定自转(θ＝0)到临界稳定的时间为t秒，初始稳定自转角速度为ω0＝32rad/s，则制作涡电流陀螺要满足条件
32-(2μamg/3I3)t≥(4mglI/I3)1/2
在实际研制的过程中，基于手启动涡电流陀螺，最初发明人在研制涡电流陀螺，制作演示效果明显的却有很大难度，发现有的陀螺很不稳定(如薄圆盘陀螺，自转轴穿过圆盘中心，磁体刚一靠近立刻停止了转动，无法看到在外磁场中稳定的进动现象)，有的虽然自转稳定了(如实心体陀螺)，但是在有外磁场作用下却没有明显的进动现象；经过理论分析和大量的实验研制，发明人结合人手的尺寸和用手撵动陀螺驱动柱的力矩，制作的实际尺寸为：陀螺体的内外同轴柱面分别为内径15mm、外径为20mm；陀螺冒顶的厚度为2.5mm，陀螺驱动柱高10mm、直径5mm；陀螺体的锥形尖头锥高10mm；陀螺体外螺纹与其相匹配陀螺冒的内螺纹长度均为10mm，组装完成后陀螺体与陀螺冒的外部柱体总高度为27mm，这一尺寸实验装置在表面1毫米处为0.5特斯拉磁体产生的磁场中，陀螺的公转与进动效果明显。
估算：选取(按照国际单位制)l＝2×10-2，μ＝0.1，a＝1×10-3，m＝1.5×10-2，
I≈I3＝mR2≈m×(2×10-2)2，得出
按照这一尺寸的设计，可供观察的时间比较充足，可以满足陀螺在外磁场力矩M＝Pm×B驱动下既要稳定，又要有明显的进动，其中Pm为移动磁体靠近涡电流陀螺在陀螺中产生的磁矩， B为磁体在陀螺处产生的磁感应强度。
演示时，用手捏住陀螺驱动柱驱动陀螺在水平桌面上高速旋转，待绕竖直轴旋转稳定后，将磁体快速在竖直方向移向水平桌面且靠近陀螺，就会看到陀螺倾向磁体公转；当调转磁体磁极方向，重复上面这一过程，仍然是看到陀螺倾向磁体公转；
演示时，通过录像记录，可以满足演示现场学生没有看清楚，教师在大屏幕上播放，根据需要调节录像的播放速度，效果更好。
本专利它的独特之处与现有实验不同，给出了制作涡电流陀螺的具体结构，为制作演示现象明显的涡电流陀螺提供了可靠的保证，并结合实际给出了一组有效的一种手动的涡电流陀螺制作参数及外磁场磁体的强度，演示效果明显，为教学与科研提供有益装置与方法。
附图说明
附图1为本专利的结构示意图，
附图2为本专利的演示示意图，
其中：1、陀螺体，1-1、锥形尖头，2、陀螺冒，2-1、驱动柱。
具体实施方式
如附图1：一种手动的涡电流陀螺，主要包括陀螺体1和陀螺冒2两部分，其特征是：陀螺体1和陀螺冒2均由直径相同铝柱加工成的，陀螺体1为中空柱面且有陀螺锥形尖头1-1，锥形尖头1-1的锥形为等腰锥形(也就是轴截面为等腰三角形)，锥形尖头(陀螺尖头)1-1顶部(接触平面处)处理成球面；陀螺冒2顶的中央有陀螺驱动柱2-1，陀螺体1与陀螺冒2 通过螺纹(陀螺体1外螺纹与其相匹配陀螺冒2的内螺纹)固定在一起，驱动柱2-1的轴线过锥形尖头1-1顶点(驱动柱2-1的轴线与锥形尖头1-1的轴线重合)，具体参数为：
陀螺体1的内外同轴柱面分别为内径15mm、外径为20mm；陀螺冒2顶的厚度为2.5mm，陀螺驱动柱2-1高10mm、直径5mm；陀螺体1的锥形尖头1-1锥高10mm，锥形尖头(陀螺尖头)1-1顶部(接触平面处)处理成半径为2.5mm凸球面；陀螺体1外螺纹与其相匹配陀螺冒2的内螺纹长度均为10mm，组装完成后陀螺体1与陀螺冒2的外部柱体总高度为27mm；另外，实验使用的磁体表面1毫米处为0.5特斯拉。
演示时，如附图2，用手捏住陀螺驱动柱2-1驱动陀螺在水平桌面上高速旋转，待绕竖直轴旋转稳定后，将表面1毫米处为0.5特斯拉的磁体快速在竖直方向移向水平桌面且靠近陀螺(与陀螺靠近2cm～4cm)，就会看到陀螺倾向磁体公转；当调转磁体磁极方向，重复上面这一过程，仍然是看到陀螺倾向(陀螺驱动柱向磁体靠拢)磁体公转；
为了比较，可以制作与上面大小构造相同的非铁磁材料非导体(塑料)加工成的空心陀螺，更便于观察理解所出现的新现象。
实际上，发明人按上面提到的具体参数制作的涡电流陀螺，在演示过程从一开始绕竖直轴高速自转持续稳定的时间不小于120秒，这样在磁体快速在竖直方向移向水平桌面且靠近陀螺，可以看到陀螺围绕磁体公转2周的进动现象。
需要说明的是，本说明书只是对本专利的精神和实质进行示意性说明和阐述，对本专利的任意修改和替换都属于本专利的保护范围。
