实验2.3 磁悬浮地球仪

【演示目的】

1.了解磁性悬浮原理；

2.展示地球的真实状态，七大洲、四大洋、世界各国尽收眼底，寓教于乐。

【实验装置】

图2.3-1磁悬浮地球仪

【演示原理】

磁悬浮地球仪与普通地球仪不同，运用磁悬浮的科学原理，在无任何支撑的及触点的情况下可悬浮于空中自转，更加生动真实的展现了地球在太空中的形态，具有独特的视觉效果，给人以奇特新颖的感觉和精神享受，同时具有很高的欣赏和使用性，地球球面为标准的世界地图，七大洲、四大洋、世界各国疆域版图及重要城市尽收眼底，寓教于乐，融知识与趣味于一体。

磁悬浮地球仪利用电流磁效应使地球仪漂浮在半空中。地球仪顶端有一个磁铁,圆环形塑胶框内部顶端有一个金属线圈，金属线圈通过电流就会成为电磁铁。电磁铁与地球仪顶端磁铁间的吸引力可抵消地球仪所受重力，因此地球仪可漂浮在半空中。用手轻轻触碰地球仪使其偏离平衡位置，手移开后地球仪仍可回到平衡位置不至掉落，这是利用负反馈机制。

地球仪底端也有一个磁铁。塑胶框内部底端有一个霍尔侦测器，可侦测地球仪底端磁铁的磁场变化。地球仪偏离平衡位置时，霍尔侦测器侦测到地球仪底端磁铁的磁场变化，便会产生一补偿电流。补偿电流流到塑胶框顶端金属线圈时，金属线圈磁场增加，可将地球仪拉回平衡位置。轻轻转动地球仪便可持续不停转动,这可以用惯性原理(说得深入一点，依据角动量守恒原理)解释。地球仪所受到的外力矩为零，因此会以固定速率沿固定方向转动。

【实验操作及演示现象】

1.将底座安放在稳固，水平的台面不可移动摇晃。接通电源；

2.用双手大拇指和食指托住地球仪的最底部，保持地球仪从基座的正中央上部水平，垂直往下放。当手托住地球仪从上往下靠近基座中心垂直距离约1.5CM处时，能感受到强烈的磁力向上支撑着物体，然后两个小拇指应紧贴在底座上，以确保双手稳定以便控制地球仪水平漂移。当你感觉到地球仪能自己悬浮在空中时，试着轻轻移开两只手，地球仪成悬浮状态；地球仪如悬浮失败，请把地球仪移开悬浮中心20cm以后，停10秒再重复上述动作，定能悬浮成功(注意放不上时不要前后左右调整寻找中心点，需从上往下放)。悬浮成功后，再用手指轻轻拨动地球仪底部，即可旋转起来；

3.悬浮后，若地球仪呈在自由摆动或抖动状态，可用手轻轻稳住地球仪底部，即可呈正常的工作状态。但如果有碰到或摇动底座，会使地球仪停止悬浮并且吸附在底座上。如果发生这样的情况，可以按照以上说明重新摆放,就可以使其重新悬浮。

【注意事项】

1.把模型体线路插好电源，再把模型体放上去，确保模型体不要被大力的触动(不然会导致球体底座的损坏)。

2．要关模型体的电源时必须先把模型体拿下来放好，再把电源拔了，这样才是不至于模型摔坏；

3.一般模型体在运作的时候就不要怎么去触碰，以免会发生问题。

4.初次使用者在操作过程中，由于不能正确熟练操作，造成悬浮地球仪不能立即悬浮的，试放地球仪过程不能超过5分钟，超过5分钟试放不上请拔掉电源休息半个小时再重新试放(由于在悬浮地球仪摆放过程中悬浮系统会产生比较大的瞬间电流，长时间不正确操作，系统会形成过热保护，所以这时候底座应发热的感觉，应在系统热量冷却后再操作)。

【思考题】

1.悬浮的地球模型如果看成大致光滑的球体，通过实验观察估算一下地球模型与空气阻力矩、空气的粘滞系数；

2.为什么需要在地球仪底端安装一个霍尔片？引起磁场变化的因素有哪些？

3.能否让地球模型不需要手拨自转？能不能让地球模型的自转方向与竖直方向也如地球自转与公转有23.62゜夹角转动？