北京市物理实验竞赛项目说明书_题目一.doc

附件5 2015年北京市大学生物理实验竞赛 参赛项目说明书 北京林业大学 参赛学校 组队负责人 组队成员 参赛题目 ：（请画(选择） ( 题目一：自行搭建实验装置，研究水或水溶液的物理性质 ( 题目二：利用互感原理，设计、搭建一套应用装置，并研究其互感特性和装置性能。 ( 题目三：实验制作 ( 题目四：论文（(教学型 (科研型） 北京市大学生物理实验竞赛组委会制 2015年月 题目二 题目名称(制作和论文类填写) 基于磁耦合谐振式无线能量传输搭建选频装置 题目英文(制作和论文类填写) Frequency selection device of magnetic coupling resonant wireless energy transmission based on 负责人姓名 性别 出生年月 专业 年级 潘林 女 1994.8. 电子信息科学与技术 13级 手机，email851811906@ 队员姓名 性别 出生年月 专业 年级 李昱钊 男 1995.1. 电子信息科学与技术 13级 江林逸 女 1995.10. 电子信息科学与技术 14级 设计原理与方法： 1.简易选频装置设计原理： 电磁谐振的原理。当一个LC谐振电路的固有频率与接收电波的频率相同时，就能得到最大的电压值或电流以值，这与机械振荡的共振是相似的。在某一个接收波段，使用一个固定的电感线圈，有固定的电感量。当调台时，就是改变线圈连接进线路的匝数或者电容，来改变LC电路的固有振荡频率。当与待接收的电台频率相同时，就能得到最大的信号电压通过可知，电感越大，线圈固有频率越小，电容越小，线圈固有频率越小。装置如图表1。 2.选频装置设计方法： 设计单层发射线圈横截面直径（线径）为2.1mm，线圈直径25.0cm，匝数6圈，线圈两端与3个2.2nF的电容并联。单层接收线圈设计为线径1.1mm，直径18.0cm，匝数25圈，线圈两端与1个2.2nF电容及发光二极管并联。为了达到随时选频的效果，利用25个排针与接受线圈焊接，引出一排（为了避免线圈之间的短路，排针呈W字型焊接）。两个线圈分别一圈挨一圈地绕在，匝数：，直径：20cm电容：2.2nF， 发光二极管。 信号源 信号发生器，Vpp=20.00V，正弦波输出。 PVC管 直径20cm*1，直径25cm*1。 图表 2 3.实现选频装置功能的实验方法(实验一：探究两个耦合互感线圈之间达到最大输出电压的传输距离与次级线圈匝数变化之间的关系) 3.1将24匝线圈连入电路，通过调节信号源发射频率及观察示波器波形，当接受线圈的正弦波VPP达到最大时，此时的发射频率为线圈的谐振频率，该频率为线圈接受电磁波的频率。记录下该频率。 3.2确定好线圈的固有频率后，调节初级线圈和次级线圈的距离，使Vpp达到4.0V.记录下此时两线圈之间的距离。该距离为线圈的有效传输距离。 3.3依次改变匝数，从匝数为25每次依次减小一个匝数，重复上述实验。 3.4通过测量几组数据后，发现，频率越高的电磁波有效传输距离越短，频率越低的电磁波传输距离越长。但是仍不能排除线圈匝数对实验结果的影响，故设计匝数一定，谐振频率不同的对比实验（实验二）。 4. 探究谐振频率对耦合互感线圈达到最大输出电压传输距离的影响（实验二） 变量：电容 不变量：线圈线径，线圈直径，信号源，线圈匝数 4.1选取选频装置的单层初级线圈为该实验的发射线圈，选取三组匝数相同的线圈，分别连入4.4nF、 4.2调整发射频率，使线圈谐振。调整初级线圈与次级线圈的距离使Vpp为4.0V。记录下此传输距离。 5. 测定的互感系数M及耦合系数K 5.1互感系数的测定 本实验测定选频装置线圈之间的互感系数M及耦合系数K。在单层发射线圈侧施加低压交流电压U1，使降压选择置于“2.0V”，并用交流电流表与该线圈串联测定电流I1，测量接受线圈的开路电压U2，则，其中。 5.2耦合系数K的测定 5.2.1自感系数的测定 如图表9，先在发射线圈侧加低压交流电压U1，接收 线圈侧开路，分别用交流电压表及交流电流变测出 发射线圈的电压U1和电流I2，依公式， 同理可证，其中可得L1、L2 图表9 5.2.2计算耦合系数K 根据耦合系数公式知，代入以上数据，即得K。 实验仪器与装置如下表: 信号源发生器 1个 线圈1 线径：1.1mm，直径20cm，1个 线圈2 线径：2.1mm， 3个 线圈3 线径：2.1mm， 电容 2.2nF*19 发光二极管 红色*1，黄色*1，白色*1，绿色*1 排针 20个 导线 4根 绝缘胶带 2个 圆柱体 直径20cm