對電磁感應發(fā)電儀的定量分析

孫佩雄 高婉瀅

（天津師范大學，天津 300387）

法拉第電磁感應定律是電磁學中一個極為重要的定律.分析可查到的資料文獻，大多數(shù)有關法拉第電磁感應定律的實驗只是單純定性地說明感應電動勢的大小與磁通量的變化有關，缺乏定量的實驗.筆者對電磁感應發(fā)電儀實驗裝置進行了改進，設計了一個簡單易行的定量實驗，該實驗必須由電磁感應發(fā)電儀與數(shù)字示波器配合使用.

1 實驗原理

2 實驗裝置

（1）轉子：在廢舊光盤內側對稱位置粘上4塊磁場強度數(shù)值相同，形狀一樣的釹鐵硼磁鐵（如圖1所示），注意強磁鐵磁場方向一致；用可拆分塑料紐扣將位于中心的小電機與光盤相連接，以帶動光盤旋轉.

圖1 轉子

（2）定子：用直徑φ＝0.22mm 的漆包線繞400匝線圈1只、500匝線圈3只、600匝線圈1只；用細砂紙打磨線圈兩端的漆包線，去掉漆皮，露出銅線；用有機玻璃板和螺絲搭建一個臺子，將另一張廢舊光盤粘在有機玻璃板正中央；將5只線圈擺放在光盤內側，呈五角形，用膠帶固定（如圖2所示）.

（3）儀器組裝：用鐵架臺夾子夾住小電機，將轉子固定在定子上方1cm 處；用導線將小電機與YB1732A 直流穩(wěn)壓電源、開關串聯(lián)；用導線將線圈與DS1052E 數(shù)字示波器輸入通道相連接（如圖3所示）.

3 實驗過程

3.1 探究感應電動勢E與磁通量變化率的關系

1）實驗步驟

將一枚500匝線圈兩端與數(shù)字示波器的通道1相連接；閉合電源開關，打開數(shù)字示波器，按下自動設置按鈕，示波器將自動使波形顯示達到最佳；在此基礎上，利用水平、垂直擋位對波形進行微調，直至波形的顯示符合要求；按下測量按鈕以顯示全部測量，記錄其中的Vrms（電壓均方根值）對應數(shù)字；調節(jié)電源電壓，在1—5V 范圍內每隔0.5V 測量一個感應電動勢的值，將對應數(shù)據記錄在表格中；重復上述步驟，多次測量取平均值；將測量數(shù)據輸入Excel進行數(shù)據處理.

2）實驗數(shù)據與分析

在數(shù)字示波器上我們可以看到，對應強磁鐵每掃過線圈一次，就會得到一個圖像.每個圖像分為上下兩個部分，分別對應著磁鐵靠近和遠離線圈時感應電動勢的變化情況（如圖4所示）.

圖4 示波器圖像顯示

由于感應電動勢的大小隨時間不斷變化且為交流信號，所以可以取感應電動勢的均方根值（即有效值），如圖4所示，本文所提供的數(shù)據、圖像均為筆者在實驗過程中由數(shù)字示波器導出的.表1為實驗過程中的6次不同電源電壓下的感應電動勢數(shù)據及平均值.

表1 不同的電源電壓下的感應電動勢數(shù)值

圖5 感應電動勢－電源電壓關系

3.2 探究感應電動勢E與線圈匝數(shù)n的關系

1）實驗步驟

將一枚500匝線圈兩端與數(shù)字示波器的通道1相連接；閉合電源開關，調節(jié)電源電壓為3V；打開數(shù)字示波器，按下自動設置按鈕，示波器將自動使波形顯示達到最佳；在此基礎上，利用水平、垂直檔位對波形進行微調，直至波形的顯示符合要求；按下測量按鈕以顯示全部測量，記錄其中的Vrms（均方根值）對應數(shù)字；將線圈依次換成400匝、600 匝，重復上述步驟，將對應數(shù)據記錄在表格中；將測量數(shù)據輸入Excel進行數(shù)據處理.

2）實驗數(shù)據與分析

表2為實驗過程中分別對應400匝、500匝、600匝線圈中產生的感應電動勢數(shù)據及平均值.

表2 （電源電壓設置為3V）

將上述數(shù)據中的線圈匝數(shù)和感應電動勢的平均值輸入Excel，點擊插入圖表，以線圈匝數(shù)為橫坐標，繪制“感應電動勢－線圈匝數(shù)”關系圖，并進行線性擬合（如圖6所示）.我們不難發(fā)現(xiàn)在誤差允許范圍內，感應電動勢成比例增加，即感應電動勢E 與線圈匝數(shù)n 成正比.

圖6 感應電動勢－線圈匝數(shù)關系

以上實驗可以測得多組磁通量變化率、線圈匝數(shù)和感應電動勢的值，對數(shù)據進行處理可以定量地得出法拉第電磁感應定律.

4 實驗不足與改進

在實驗過程中，由于實驗條件受到一定限制（比如：小電機額定電壓比較低、轉子達到一定轉速時釹鐵硼磁鐵會被甩出去等），各種實驗數(shù)據的采集不夠廣泛，雖然采集到的數(shù)據已經能說明一些問題，但今后還需要改進實驗條件，進而采集更多數(shù)據使實驗更加精準.

［1］梁燦彬，等.普通物理學教程：電磁學［M］.2版.北京：高等教育出版社，2004：221.

［2］吳迪男，吳志祥.法拉第電磁感應定律數(shù)字化實驗儀［J］.物理實驗，2009，29（10）：20－22.

［3］楊國仁，等.基于數(shù)字示波器的綜合性實驗設計［J］.大學物理，2007，26（2）：32－34.

［4］王志斌，等.研制實驗裝置定量探究法拉第電磁感應定律［J］.教學儀器與實驗，2011，27（7）：34－36.