本發(fā)明屬于電磁場技術領域，主要涉及一種洛倫茲力浮態(tài)空間軌跡變換裝置，用于解決電荷在液體中運動軌跡的展示問題。

背景技術：

洛倫茲力是磁場對運動電荷的作用力，電機轉子在磁場中受到的力本質上是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，深入研究洛倫茲力不僅有利于深化對磁場作用的認識，還有利于拓展其應用。洛倫茲力在電磁超聲換能器、球形電機矢量控制、散度聲源磁聲成像、激勵器靜態(tài)標定等諸多方面都有重要應用。

洛倫茲力演示儀演示了電子在磁場中的運動規(guī)律，其不足在于人們看到的只是一個徑跡，對磁場中的電子運動缺乏直觀認識。

2015年“物理與工程”第5期王芳“關于洛倫茲力演示實驗的研究”一文研究了洛倫茲力，文中分析了電解質溶液的帶電粒子在電磁場中的運動現(xiàn)象，分析了洛倫茲力大小的影響因素，認為電解質溶液之間的關系為實驗重要影響因素，理論推導得出二者之間的函數(shù)關系，又通過實驗得到電導率和溶液濃度之間的關系曲線，然后將實驗結果與理論分析進行了對比.發(fā)現(xiàn)洛倫茲力演示實驗的關鍵因素為電解質溶液的電導率與溶液濃度之間的關系，結合實驗結果分析出電導率最大時溶液濃度范圍。

2015年“熱加工工藝”第3期池博源“鋁板電磁焊接過程中洛倫茲力的三維仿真研究”一文，分析了板件電磁焊接過程中洛侖茲力分布不均勻導致焊接接頭部位板件變形不均勻，影響了焊接質量。該文利用電磁焊接技術對兩塊1mm厚的1系鋁板進行焊接試驗，同時應用電磁場仿真軟件對焊接過程中板件所受的洛侖茲力進行了仿真研究。集磁器內電流的仿真結果與試驗結果在首個波峰位置誤差在3.45％以內，仿真結果顯示，板件表面的洛侖茲力分布與試驗中所發(fā)現(xiàn)的板件焊接區(qū)域表面變形一致。

因此，針對現(xiàn)有技術的不足，如何提出一種具有運動可視化效果的技術，而且結合浮力與電場力，對電荷的多種運動形態(tài)予以實現(xiàn)和應用，已成為研究趨勢。

技術實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術問題

本發(fā)明要解決的技術問題是：針對洛倫茲力對電荷的作用，如何提供一種直觀展示方案，同時利用電場力與洛倫茲力對電荷的綜合作用，為研究流體中物體運動過程、天文星體運行、物理教學、科技娛樂等提供一種直觀研究分析手段。

(二)技術方案

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種洛倫茲力浮態(tài)空間軌跡變換裝置，其包括：箱蓋1、箱體3、成對布置的電極板4、閥門組5、螺堵6、液流管7、液壓泵8、電機9、海底地質特征模擬元件10、觀察窗11；

所述箱體3背面上布置電磁鐵，箱蓋1頂部和箱體3底部布置成對的電極板4，箱體3左右兩個側面布置成對的電極板4；由此，箱體3上下、左右方向加上電場，前后方向加上磁場；

所述觀察窗11為透明窗體，開設于箱體3的一個側面板上；

所述箱體3上設有所述閥門組5，螺堵6用于與閥門組5配合使用，所述閥門組5、液流管7、液壓泵8、電機9依次連接；

所述箱體3內注入透明液體，把電荷球12放入液體中，蓋上箱蓋1；

從觀察窗11中觀察電荷球12，電荷球12受到浮力和重力作用，通過改變電極板4的電壓，調節(jié)上下電場強度或方向，使電荷球12懸浮于液體內；

通過改變電極板4的電場強度，觀察電荷球12的運動過程，當電荷球12獲得一定初速后，關閉左右電場，同時開啟前后由電磁鐵產生的磁場；

觀察電荷球12的運動過程，由于液體阻力作用，電荷球12并非作圓周運動，而是半徑逐漸減小的螺旋線運動，流體阻力越小，螺旋線半徑衰減越慢，電荷球12速度越大，螺旋線半徑衰減越快。

其中，所述電荷球12的外形設置為潛水器形狀，可以考察其流體阻力作用下的加速特性，或者偏航、俯仰動作的機動性能，從而為其性能優(yōu)化提供基礎認識。

其中，在箱體3底部設置海底地質特征模擬元件10，并通過閥門組5、液流管7、液壓泵8、電機9配合工作來模擬海底洋流。

其中，所述閥門組5不同閥門的切換可以實現(xiàn)不同形態(tài)的洋流，通過模擬海洋地質環(huán)境和洋流，考察潛航器在復雜水文環(huán)境下的行為表現(xiàn)，從而提高其適應海洋環(huán)境的能力。

其中，所述螺堵6用于把暫時不用的閥門堵住。

其中，根據(jù)實際需要，所述電荷球12所設置的形狀還包括：球形，橢球形，水滴形。

其中，所述裝置還包括設置于箱體3壁面上的面陣傳感器2，面陣傳感器2通過感知電荷球12反射的光線以及計算機處理不同反射光線之間的夾角從而實時捕捉電荷球12的空間位置，利用計算機對電荷球12的位置信息進行標定和解算，從而可以計算出其實時速度、加速度，這為研究其電磁場、流體中的運動特性提供了量化手段。

其中，所述電磁鐵為板式電磁鐵。

其中，如果電荷球12運動平面垂直于磁場方向，其運動軌跡為平面螺旋線，如果電荷球12運動平面不垂直于磁場方向，而是在磁場平行方向和垂直方向均有速度分量，則其運動軌跡為空間錐形螺旋線。

其中，所述電場強度的變化通過調節(jié)電極板電壓的變化來實現(xiàn)，磁場強度的變化通過調節(jié)電磁鐵電流的大小來實現(xiàn)。

(三)有益效果

與現(xiàn)有技術相比較，本發(fā)明具備如下有益效果：

1)直觀展示洛倫茲力對電荷的作用特點，有助于領會電荷在磁場中的運動規(guī)律以及電場對電荷的加速特性。

2)對電荷球在流體中的運動軌跡進行自由變換，從而研究其在流體中的運動規(guī)律，為外形優(yōu)化提供參考。

3)模擬海底地質環(huán)境及洋流狀況，考察潛水器在復雜水文環(huán)境下的運動狀態(tài)，為潛水器性能優(yōu)化提供參考。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置結構圖。

圖2為電荷球。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、內容、和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種洛倫茲力浮態(tài)空間軌跡變換裝置，如圖1所示，其包括：箱蓋1、箱體3、成對布置的電極板4、閥門組5、螺堵6、液流管7、液壓泵8、電機9、海底地質特征模擬元件10、觀察窗11；

所述箱體3背面上布置電磁鐵，箱蓋1頂部和箱體3底部布置成對的電極板4，箱體3左右兩個側面布置成對的電極板4；由此，箱體3上下、左右方向加上電場，前后方向加上磁場；

所述觀察窗11為透明窗體，開設于箱體3的一個側面板上；

所述箱體3上設有所述閥門組5，螺堵6用于與閥門組5配合使用，所述閥門組5、液流管7、液壓泵8、電機9依次連接；

所述箱體3內注入透明液體，把電荷球12放入液體中，蓋上箱蓋1；

從觀察窗11中觀察電荷球12，電荷球12受到浮力和重力作用，通過改變電極板4的電壓，調節(jié)上下電場強度或方向，使電荷球12懸浮于液體內；

通過改變電極板4的電場強度，觀察電荷球12的運動過程，當電荷球12獲得一定初速后，關閉左右電場，同時開啟前后由電磁鐵產生的磁場；

觀察電荷球12的運動過程，由于液體阻力作用，電荷球12并非作圓周運動，而是半徑逐漸減小的螺旋線運動，流體阻力越小，螺旋線半徑衰減越慢，電荷球12速度越大，螺旋線半徑衰減越快。

電場和磁場的變化模式可以多種多樣，以實現(xiàn)電荷球各種復雜運動；可以撤去電場，換成磁場，也可以撤去磁場，換成電場，只要相應地把電極板換成電磁鐵，或者把電磁鐵換成電極板。電場強度的變化通過調節(jié)電極板電壓的變化來實現(xiàn)，磁場強度的變化通過調節(jié)電磁鐵電流的大小來實現(xiàn)。

其中，所述電荷球12的外形設置為潛水器形狀，可以考察其流體阻力作用下的加速特性，或者偏航、俯仰動作的機動性能，從而為其性能優(yōu)化提供基礎認識。

其中，在箱體3底部設置海底地質特征模擬元件10，并通過閥門組5、液流管7、液壓泵8、電機9配合工作來模擬海底洋流。

其中，所述閥門組5不同閥門的切換可以實現(xiàn)不同形態(tài)的洋流，通過模擬海洋地質環(huán)境和洋流，考察潛航器在復雜水文環(huán)境下的行為表現(xiàn)，從而提高其適應海洋環(huán)境的能力。

其中，所述螺堵6用于把暫時不用的閥門堵住。

其中，根據(jù)實際需要，所述電荷球12所設置的形狀還包括：球形，橢球形，水滴形。

另外，還可以借助這一技術研究在液體環(huán)境中各種形態(tài)的碰撞，從而深入對碰撞現(xiàn)象的認識。

其中，所述裝置還包括設置于箱體3壁面上的面陣傳感器2，面陣傳感器2通過感知電荷球12反射的光線以及計算機處理不同反射光線之間的夾角從而實時捕捉電荷球12的空間位置，利用計算機對電荷球12的位置信息進行標定和解算，從而可以計算出其實時速度、加速度，這為研究其電磁場、流體中的運動特性提供了量化手段。

通過對本技術進行改進或簡化，還可以用于物理教學、科技展示、生活娛樂等諸多方面。

其中，所述電磁鐵為板式電磁鐵。

其中，如果電荷球12運動平面垂直于磁場方向，其運動軌跡為平面螺旋線，如果電荷球12運動平面不垂直于磁場方向，而是在磁場平行方向和垂直方向均有速度分量，則其運動軌跡為空間錐形螺旋線。

其中，所述電場強度的變化通過調節(jié)電極板電壓的變化來實現(xiàn)，磁場強度的變化通過調節(jié)電磁鐵電流的大小來實現(xiàn)。

實施例1

本實施例提供的技術措施包括電荷球、流體、電場、磁場、電機、液壓泵、面陣傳感器、箱體、箱蓋等。電荷球帶正電或者負電，置于箱體中的液體中，箱體上下、左右方向加上電場，前后方向加上磁場，電荷球受到液體浮力、重力和電場力作用，調整上下方向電場力大小或指向，使電荷球懸浮于液體內，左右施加電場，電荷球在左右方向電場力作用下運動，運動過程中同時受到磁場力作用；電荷球獲得一定初速后，如果停止左右電場力作用，則在磁場力作用下作圓周運動，磁場強度越大，圓周半徑越小，動量越大，圓周半徑越大，考慮到液體阻力作用，其速度逐漸變小，圓周半徑也隨之變小，為維持其圓周運動，可以利用左右或上下電場適時饋入能量；電荷球運動過程中，如果磁場按一定規(guī)律變化，則電荷球可做橢圓運動，兩個或多個不同動量的電荷球作橢圓運動，則可模擬天體運行，沒有初速的電荷球處于靜止狀態(tài)，靜止的電荷球可以模擬中心星；如果電荷球的初速在磁場垂直方向和平行方向均有不為零的分量，電荷球作螺線運動，考慮到流體阻力，其螺距是漸變的。

如果把電荷球做成潛水器形狀，則可以考察其外形的流阻特性，比如，把體量一致、凈電荷相同、外形不同的潛水器模型置入液體和電場中，在電場力相等的情況下，加速特性越好，外形流阻越?。辉谙潴w底部設置海底山脈地質模型，模擬各種海底洋流，可以直觀考察潛水器的航行穩(wěn)定性及偏航特性，以及潛水器撞擊冰山或者其他物體時的動態(tài)特征、損壞機制、薄弱環(huán)節(jié)。

利用箱體內壁布置的面陣傳感器，可以記錄電荷球的實時位置，進而計算出其速度、加速度，這樣，可以研究不同形狀的電荷球在流體中的運動規(guī)律以及碰撞現(xiàn)象，其受力的變化可以通過改變電場或磁場大小、方向實現(xiàn)。

通過簡化，本技術也可以用于物理教學演示、科技展覽等諸多方面。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發(fā)明的保護范圍。