摘要：作者設(shè)計(jì)并制作了能把直流電源轉(zhuǎn)換成可變頻交變電源的裝置，本文作了詳細(xì)介紹。

關(guān)鍵詞：高中；電學(xué)實(shí)驗(yàn)；轉(zhuǎn)換器；直流電；變頻交流電

中圖分類號：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-6148(2007)10(S)-0060-2

人教版高中物理第二冊交變電流一章第三節(jié)研究電感和電容對交變電流的影響，為了通過對比實(shí)驗(yàn)來分析電感和電容對交變電流的阻礙作用，需要這樣的電源：能輸出直流和不同頻率的交變電流，而且它們的有效值相等。但在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室中沒有這樣的電源，因此只能簡單比較電感和電容對直流和交變電流的影響的不同，不能比較電感和電容對不同頻率的交變電流的影響。筆者設(shè)計(jì)制作了一個(gè)有效值一定的可變頻交變電源——能把直流電源轉(zhuǎn)換成可變頻交變電源(以下簡稱“轉(zhuǎn)換器”)，在研究電感和電容對交變電流的影響時(shí)實(shí)驗(yàn)效果很好?，F(xiàn)將該轉(zhuǎn)換器的工作原理、制作過程和應(yīng)用效果介紹如下，供大家參考。

1轉(zhuǎn)換器的工作原理

我們知道直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)是通過電刷由換向器把直流電引導(dǎo)到固定在轉(zhuǎn)軸上的線圈上，使線圈在磁場力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)際上線圈中通過的電流的方向在不斷改變，實(shí)為交變電流。根據(jù)同樣的原理，可適當(dāng)改進(jìn)換向器就可以把直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源。

1．1轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示，把兩個(gè)相互交錯(cuò)并彼此絕緣的金屬圓筒固定在同一轉(zhuǎn)軸上，使四個(gè)電刷與兩金屬圓筒相應(yīng)部分接觸，這樣就組成了轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器的電刷A、B接線柱接直流電源UAB，如圖2所示。當(dāng)轉(zhuǎn)換器繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷a、b接線柱間將輸出矩形波交變電壓Uab，如圖3所示。可見，轉(zhuǎn)換器的電刷A、B間輸入的直流電壓UAB和轉(zhuǎn)換器電刷a、b間輸出的矩形波交變電壓Uab的最大值相等。根據(jù)交變電流有效值的定義易知：轉(zhuǎn)換器輸出的交變電壓的有效值和輸入的直流電源電壓相等。

1．2轉(zhuǎn)換器輸出交變電流頻率的改變

如圖4所示，把轉(zhuǎn)換器兩金屬圓筒相互交錯(cuò)的部分一周分為四等份。這樣制成的轉(zhuǎn)換器當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，輸出的矩形波交變電流將做兩次周期性變化，即在轉(zhuǎn)速不變的情況下，輸出的交變電流的頻率將變?yōu)樵瓉淼?倍。根據(jù)上述原理，可制作出輸出不同頻率的交變電流的轉(zhuǎn)換器以滿足實(shí)驗(yàn)的需要。

2轉(zhuǎn)換器的制作和組裝

筆者制作的轉(zhuǎn)換器可將直流電源轉(zhuǎn)換成兩種不同頻率的矩形波交變電流輸出。具體制作方法如下。

2.1轉(zhuǎn)子的制作

首先，找一塊金屬片(銅片，或從易拉罐上取下的金屬片，或從牙膏筒上取下的金屬片均可)，按圖5所示在金屬片上畫上虛線線條。再按圖6所示沿實(shí)線剪開，把金屬片一分為二。

其次，把金屬片在圓柱體桿上卷成圓筒，用電烙鐵把金屬圓筒的兩端焊接成圓環(huán)。

最后，找一根細(xì)的金屬桿為轉(zhuǎn)軸，把金屬圓筒套在轉(zhuǎn)軸上，并用固定膠熔化后注入轉(zhuǎn)軸和金屬圓筒之間，等固定膠冷卻凝固后，轉(zhuǎn)子就制成了（圖7）。需要注意的是，金屬桿作為轉(zhuǎn)軸要固定在金屬圓筒的軸線上，兩部分金屬圓筒之間要絕緣。

2.2支架的制作

找一段細(xì)鐵絲，用鉗子把其制成如圖8所示的形狀作為支架，制作兩個(gè)這樣的支架備用。

2.3電刷的制作

找一個(gè)用彈簧提供動(dòng)力的玩具，把玩具中提供動(dòng)力的彈簧卷取下，從彈簧卷上截取6段適當(dāng)長度的彈簧片，調(diào)整其外形后作為電刷，用來連接轉(zhuǎn)子和接線柱。

2.4組裝轉(zhuǎn)換器

如圖9所示，用木板作為基座，把支架套在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上，并把支架固定在基座上，然后把6個(gè)電刷固定在基座上并與轉(zhuǎn)子相應(yīng)部分良好接觸。最后截取一段圓珠筆芯塑料管，把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸和直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相連并把直流電動(dòng)機(jī)固定在基座上。為了減小摩擦的影響，用鉛筆筆芯在支架和轉(zhuǎn)軸間、電刷和轉(zhuǎn)子間、涂抹一層石墨。這樣轉(zhuǎn)換器就組裝好了。當(dāng)電刷A、B接直流電源，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷a1、b1間和a2、b2間輸出頻率不同的矩形波交變電流，以供實(shí)驗(yàn)需要。

3轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)和應(yīng)用

上述制作的轉(zhuǎn)換器把直流電源轉(zhuǎn)換成有效值一定的矩形波交變電流。電刷a1、b1間和a2、b2間輸出的交變電流頻率隨直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大而增大，而且電刷a2、b2間輸出的交變電流頻率始終是電刷a1、b1間輸出的交變電流頻率的兩倍。需注意，當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷a1、b1間和電刷a2、b2間輸出的是直流。在研究電感對交變電流的阻礙作用時(shí)，把如圖10所示的研究電路的a、b端分別接轉(zhuǎn)換器的電刷a1、b1，當(dāng)直流電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷a1、b1間輸出直流，燈亮；當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷a1、b1間輸出有效值未變的交變電流，燈變暗了，說明電感“通直流，阻交流”。把研究電路的a、b端分別接轉(zhuǎn)換器的電刷a2、b2上，即增大了輸出交變電流的頻率時(shí)，燈變得更暗了，說明電感“通低頻，阻高頻”。

在研究電容對交變電流的阻礙作用時(shí)，把如圖11所示研究電路的a、b端分別接轉(zhuǎn)換器的電刷a1、b1，當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷a1、b1間輸出直流，燈不亮；當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷a1、b1間輸出有效值未變的交變電流，燈亮了，說明電容“通交流，隔直流”。把研究電路的a、b端分別接轉(zhuǎn)換器電刷a2、b2上，即增大了輸出交變電流的頻率時(shí)，燈變得更亮了，說明電容“通高頻，阻低頻”。

可見，有了筆者制作的轉(zhuǎn)換器，在研究電感和電容對交流電的影響時(shí)，教師講解方便，學(xué)生理解容易，效果很好。

(欄目編輯王柏廬)

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。