浮环

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浮環  fúhuán

環狀浮水器具。清·潘永因《宋稗類鈔》卷二：“韓世忠在鎮江，一日抵晚，令帳前提轄王權至金山，仍戒不得用船渡，懇給浮環，偕一卒至西津，遂泅以渡登岸。”

浮环fuhuan

浮于通有交变电流铁心线圈上的轻质铝环，通常称为浮环实验。浮环实验示意图如图1所示。圆铁被用来增强交变电流E1所产生的磁场，设铁心为软铁，使得穿过铁心上空的轻质铝环的磁通∅₁₂与电流i1是同位相的。这里有两个电路，一个是通有交变电流i1的铁心线圈。(以下标1)，另一闭合电路是铝环(以下标2)。∅1₂将在铝环中引起感应电动势e12。由法拉第电磁感应定律知，e12落后∅₁₂位相π/2。若i_l＝Iimsinωt，则∅12=∅_msinω_t,e12＝Emsin(ω_t-π/2)。因为铝环的电阻R2很小，铝环的自感L₂的作用必须加以考虑。铝环是一个R₂、L₂串联的电路，在这个电路中加有电动势e12。铝环电流i₂将落后e₁₂一个位相角ᵠ。由交流电路知识知tgᵠ=ωL₂/R2。为简化问题的讨论，设ᵠ=π/4。因而有如下关系：
即e12落后i₁位相π/2,i₂又落后e12位相π/4，故i2落后i1位相3/4π。_i1与i₂的位相如图2所示，图中假定I_2m=I1m。图1中实线箭头分别表示i₁、∅₁₂、e12、i₂各量的正方向，即它们的真实方向与箭头方向一致时为正，反之为负。结合图2和图1可给浮环实验以正确解释。
❶看图2时间轴的AB段：i₁>0,i₂<0，这段时间里，线圈（电路）1电磁铁的效果是铁心上端为磁极的N极；对电路2,i₂为负，铝环(电路2)的下端等效于N极。两个N极相互排斥，铝环受一向上的推力。
❷图2BC段，有i₁>0,i₂>0。线圈铁心上端仍为N极；铝环的下端等效于S极。N、S极相吸，铁心给铝环一个吸引力，向下拉铝环。
❸CD段，i1<0,i2>0，铁心上端为S，铝环下端为S,S、S极相排斥；
❹DE段，i1<0,i2<0，铁心上端为S，铝环下端为N,N、S相吸。可见，在电流变化的一个周期里铝环与铁心有两次相斥、两次相吸。但是向上推斥铝环的作用时间长，平均推力大，向下吸引铝环的吸力作用时间短，平均吸力小。由于铝环的惯性，铝环跟不上如此迅速的上下跳动变化。铝环受到的是一个周期的向上平均推力。铝环离铁心距离增加（升高）使平均推力减小。当这个平均推力与铝环重力平衡时，铝环悬浮于交流电磁铁的上空。如果错误地认为铝环是一个纯电阻线圈，那么i₂与e12同位相，则i₂落后i1位相π/2。这时可以证明，第1,3个1/4周期铝环受到推力向上，而第2,4个1/4周期铝环受到与推力相等的吸力，因而一个周期的平均作用力为零，铝环将不会浮起。

图1

图2