電生磁、磁生電演示儀

黃曉標(biāo) 熊小蘭

(1. 江西省教育廳教學(xué)教材研究室,江西 南昌 330046; 2. 樟樹第三中學(xué),江西 樟樹 331200)

電生磁、磁生電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),是電磁學(xué)發(fā)展史上的重要成就,它進(jìn)一步揭示了自然界電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系,促進(jìn)了電磁理論的發(fā)展,為麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),使現(xiàn)代工業(yè)、電工和電子技術(shù)得以建立和發(fā)展,對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展有著劃時(shí)代的貢獻(xiàn).

1 歷史回顧

1.1 奧斯特的發(fā)現(xiàn)——電生磁

第一個(gè)發(fā)現(xiàn)電磁之間有聯(lián)系的是著名物理學(xué)家奧斯特.奧斯特對(duì)電和磁的關(guān)系很感興趣.在他之前,富蘭克林曾做的萊頓瓶放電實(shí)驗(yàn),使奧斯特認(rèn)定電磁轉(zhuǎn)化是很有可能的,所以一直想找到能證明這種轉(zhuǎn)化的方法.1820年4月的一天晚上,奧斯特在講課中突然出現(xiàn)了一個(gè)想法,講課快結(jié)束時(shí),他說:“讓我把導(dǎo)線與磁針平行放置來試試看.”他把一條非常細(xì)的鉑導(dǎo)線放在一根用玻璃罩罩著的小磁針上方,接通電源的瞬間,發(fā)現(xiàn)小磁針微微動(dòng)了一下.這一現(xiàn)象使奧斯特又驚又喜.他緊緊抓住這一現(xiàn)象,連續(xù)進(jìn)行了3個(gè)月的實(shí)驗(yàn)研究,設(shè)計(jì)了幾十個(gè)不同的實(shí)驗(yàn),都證實(shí)了通電導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng).同年7月,向?qū)W術(shù)界宣布了電流的磁效應(yīng),整個(gè)物理學(xué)界都震動(dòng)了.在獲得這個(gè)新發(fā)現(xiàn)之前,奧斯特對(duì)電和磁的統(tǒng)一性已經(jīng)研究了十幾年,一直在設(shè)法證實(shí)電和磁的聯(lián)系,所以奧斯特發(fā)現(xiàn)電能生磁不完全是機(jī)遇在起作用,而是偶然中的必然,正如巴斯德的那句名言:“在觀察的領(lǐng)域里,機(jī)遇只偏愛那種有準(zhǔn)備的頭腦.”[1]

1.2 法拉第的發(fā)現(xiàn)——磁生電

在法拉第的思想中,確信物理學(xué)所涉及的自然界的各種力是互相緊密地聯(lián)系著的.他分析了電流的磁效應(yīng)以后認(rèn)為,既然電可以產(chǎn)生磁,反過來磁也應(yīng)該能產(chǎn)生電.他在1822年的一篇日記中就寫了這樣的話:“把磁轉(zhuǎn)化成電.”法拉第朝著這個(gè)目標(biāo),堅(jiān)定不移地堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)、研究近十年,經(jīng)歷五次重大失敗,他終于在1831年8月獲得成功.他在一個(gè)圓形軟鐵環(huán)兩邊繞上A、B兩組線圈,在A組線圈同伏打電池接通或切斷的瞬間,B組線圈中會(huì)感生出電流,法拉第把這叫做“伏打電感應(yīng)”.[2]

2 實(shí)驗(yàn)方案

奧斯特的電生磁與法拉第的磁生電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),是科學(xué)家矢志不渝地堅(jiān)信電、磁之間的聯(lián)系是密不可分，并長(zhǎng)期不懈堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果.有沒有一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案能很好地體現(xiàn)兩者之間密不可分的這種聯(lián)系.尋著這種指導(dǎo)思想,我們?cè)谡J(rèn)真研究奧斯特實(shí)驗(yàn)、法拉第實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,應(yīng)用日常生活中易得的器材,設(shè)計(jì)制作了電生磁、磁生電演示儀,應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中收到了很好的教學(xué)效果.

圖1為電生磁、磁生電演示儀原理示意圖.一節(jié)干電池提供的直流電通過雙刀雙擲開關(guān),變換成交替變化的交變電流,方法是:將單刀雙擲開關(guān)的1、4和2、3接線柱相連,干電池接入3、4端,當(dāng)雙擲開關(guān)的刀片交替接觸1、2和3、4接線柱時(shí),中心接線柱5、6輸出端將輸出交變電流.這樣置于直導(dǎo)線下方的小磁針在直線電流磁場(chǎng)的作用下,將沿順時(shí)針和逆時(shí)針交替偏轉(zhuǎn).由于直導(dǎo)線中的電流交替變化,穿過直導(dǎo)線的磁環(huán)中將產(chǎn)生交替變化的磁場(chǎng),引起線圈中磁通量的變化,在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),驅(qū)動(dòng)與線圈相連的LED閃亮.圖2為實(shí)驗(yàn)原理裝置圖.

圖1 原理示意圖

圖2

3 關(guān)鍵元件的制作方法

3.1 長(zhǎng)直導(dǎo)線的制作

在動(dòng)力用電的電源線中取一段長(zhǎng)約10 cm,線徑2.5 mm金屬銅導(dǎo)線,在其絕緣層外再套一層絕緣材料,再取一小塊泡沫套在絕緣層外,一是突出導(dǎo)線與外部線圈之間的絕緣,二是便于繞有漆包線的磁環(huán)線圈固定于直導(dǎo)線上.

3.2 線圈的制作

在廢舊電器設(shè)備中選取外徑3 cm、內(nèi)徑2 cm的鐵氧體磁芯一個(gè)(或郵購).找一段線徑1 mm漆包銅導(dǎo)線,將其密繞在鐵氧體磁環(huán)上,約能繞50圈,線圈兩端線去掉漆皮與反向并聯(lián)的LED連接,制作原材料如圖3所示.

圖3

4 演示方法

按圖2方式安裝實(shí)驗(yàn)裝置.直導(dǎo)線穿過鐵氧體磁環(huán)線圈中心,水平放置于支架之上.電池安放于支架底座下方.小磁針置于直導(dǎo)線下方,調(diào)整底座方位,使小磁針南北指向與直導(dǎo)線方向一致.雙刀雙擲開關(guān)上下?lián)軇?dòng)使電路通斷,可觀察到小磁針?biāo)巾槙r(shí)針和逆時(shí)針交替偏轉(zhuǎn),同時(shí)可看到與線圈連接的LED閃亮.小磁針的偏轉(zhuǎn)就是通電直導(dǎo)線產(chǎn)生磁場(chǎng)作用的效果.LED閃亮就是直導(dǎo)線電流的通斷變化,引起磁環(huán)中磁場(chǎng)的交替變化,導(dǎo)致繞在磁環(huán)上的線圈中的磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光.這樣電生磁、磁生電就合二為一,成為不可分割的整體.

圖4 變頻開關(guān)原理圖

為使演示效果更佳,可將雙刀雙擲開關(guān)改進(jìn)為旋轉(zhuǎn)式電源極性變換裝置,其工作原理如圖4所示,按工作原理圖的原理在廢舊多用表上進(jìn)行實(shí)際改制,實(shí)物圖如圖5.確保制作后多用表的旋轉(zhuǎn)開關(guān)P轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),帶動(dòng)滑片P1、P2旋轉(zhuǎn),使通過1、2輸入的直流電源在滑片的作用下,通過與滑片P1、P2連接的5、6端輸出的電源極性是交替變化的,當(dāng)滑片P的轉(zhuǎn)速較快時(shí),5、6兩端輸出的就是頻率較大的交流電,從而引起線圈中磁通量的變化率更大,LED的頻閃更小、亮度更高.表盤轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)P旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的演示效果如圖6所示.

圖5

圖6

該演示儀還是一個(gè)變形的法拉第線圈,電源、支架和直導(dǎo)線組成只有一匝的一組線圈,磁環(huán)充當(dāng)鐵芯,另一組線圈就是連著LED的漆包線圈.開關(guān)通斷變化,直導(dǎo)線產(chǎn)生交替變化的環(huán)形磁場(chǎng)剛好高效率地導(dǎo)入磁環(huán)之中,減少了磁能的損失,因而一節(jié)干電池就能使LED閃亮.由雙刀雙擲撥動(dòng)開關(guān)控制電路的通斷,過渡到旋轉(zhuǎn)式開關(guān)的設(shè)計(jì)制作,使直流輸入引起輸出端電源極性和頻率的變換,有利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成和創(chuàng)新思維的提升.

1 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書.物理選修3-1.教師教學(xué)用書(第3版).北京:人民教育出版社,2010:154-156.

2 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書.物理選修3-2(第3版).北京:人民教育出版社,2010： 2-5.

3 黃春如,熊小蘭.電容器對(duì)交、直流電作用的演示儀[J].物理教學(xué),2015(04):27-28.