孫佩雄 高婉瀅

（天津師范大學(xué)，天津 300387）

法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁學(xué)中一個(gè)極為重要的定律.分析可查到的資料文獻(xiàn)，大多數(shù)有關(guān)法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)只是單純定性地說明感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量的變化有關(guān)，缺乏定量的實(shí)驗(yàn).筆者對(duì)電磁感應(yīng)發(fā)電儀實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單易行的定量實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)必須由電磁感應(yīng)發(fā)電儀與數(shù)字示波器配合使用.

1 實(shí)驗(yàn)原理

2 實(shí)驗(yàn)裝置

（1）轉(zhuǎn)子：在廢舊光盤內(nèi)側(cè)對(duì)稱位置粘上4塊磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值相同，形狀一樣的釹鐵硼磁鐵（如圖1所示），注意強(qiáng)磁鐵磁場(chǎng)方向一致；用可拆分塑料紐扣將位于中心的小電機(jī)與光盤相連接，以帶動(dòng)光盤旋轉(zhuǎn).

圖1 轉(zhuǎn)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(xì)砂紙打磨線圈兩端的漆包線，去掉漆皮，露出銅線；用有機(jī)玻璃板和螺絲搭建一個(gè)臺(tái)子，將另一張廢舊光盤粘在有機(jī)玻璃板正中央；將5只線圈擺放在光盤內(nèi)側(cè)，呈五角形，用膠帶固定（如圖2所示）.

（3）儀器組裝：用鐵架臺(tái)夾子夾住小電機(jī)，將轉(zhuǎn)子固定在定子上方1cm 處；用導(dǎo)線將小電機(jī)與YB1732A 直流穩(wěn)壓電源、開關(guān)串聯(lián)；用導(dǎo)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(shí)驗(yàn)過程

3.1 探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與磁通量變化率的關(guān)系

1）實(shí)驗(yàn)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(guān)，打開數(shù)字示波器，按下自動(dòng)設(shè)置按鈕，示波器將自動(dòng)使波形顯示達(dá)到最佳；在此基礎(chǔ)上，利用水平、垂直擋位對(duì)波形進(jìn)行微調(diào)，直至波形的顯示符合要求；按下測(cè)量按鈕以顯示全部測(cè)量，記錄其中的Vrms（電壓均方根值）對(duì)應(yīng)數(shù)字；調(diào)節(jié)電源電壓，在1—5V 范圍內(nèi)每隔0.5V 測(cè)量一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的值，將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)記錄在表格中；重復(fù)上述步驟，多次測(cè)量取平均值；將測(cè)量數(shù)據(jù)輸入Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

在數(shù)字示波器上我們可以看到，對(duì)應(yīng)強(qiáng)磁鐵每掃過線圈一次，就會(huì)得到一個(gè)圖像.每個(gè)圖像分為上下兩個(gè)部分，分別對(duì)應(yīng)著磁鐵靠近和遠(yuǎn)離線圈時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化情況（如圖4所示）.

圖4 示波器圖像顯示

由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小隨時(shí)間不斷變化且為交流信號(hào)，所以可以取感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的均方根值（即有效值），如圖4所示，本文所提供的數(shù)據(jù)、圖像均為筆者在實(shí)驗(yàn)過程中由數(shù)字示波器導(dǎo)出的.表1為實(shí)驗(yàn)過程中的6次不同電源電壓下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)及平均值.

表1 不同的電源電壓下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)值

圖5 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)－電源電壓關(guān)系

3.2 探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與線圈匝數(shù)n的關(guān)系

1）實(shí)驗(yàn)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(guān)，調(diào)節(jié)電源電壓為3V；打開數(shù)字示波器，按下自動(dòng)設(shè)置按鈕，示波器將自動(dòng)使波形顯示達(dá)到最佳；在此基礎(chǔ)上，利用水平、垂直檔位對(duì)波形進(jìn)行微調(diào)，直至波形的顯示符合要求；按下測(cè)量按鈕以顯示全部測(cè)量，記錄其中的Vrms（均方根值）對(duì)應(yīng)數(shù)字；將線圈依次換成400匝、600 匝，重復(fù)上述步驟，將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)記錄在表格中；將測(cè)量數(shù)據(jù)輸入Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

表2為實(shí)驗(yàn)過程中分別對(duì)應(yīng)400匝、500匝、600匝線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)及平均值.

表2 （電源電壓設(shè)置為3V）

將上述數(shù)據(jù)中的線圈匝數(shù)和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值輸入Excel，點(diǎn)擊插入圖表，以線圈匝數(shù)為橫坐標(biāo)，繪制“感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)－線圈匝數(shù)”關(guān)系圖，并進(jìn)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(nèi)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)成比例增加，即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E 與線圈匝數(shù)n 成正比.

圖6 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)－線圈匝數(shù)關(guān)系

以上實(shí)驗(yàn)可以測(cè)得多組磁通量變化率、線圈匝數(shù)和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以定量地得出法拉第電磁感應(yīng)定律.

4 實(shí)驗(yàn)不足與改進(jìn)

在實(shí)驗(yàn)過程中，由于實(shí)驗(yàn)條件受到一定限制（比如：小電機(jī)額定電壓比較低、轉(zhuǎn)子達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)釹鐵硼磁鐵會(huì)被甩出去等），各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集不夠廣泛，雖然采集到的數(shù)據(jù)已經(jīng)能說明一些問題，但今后還需要改進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)而采集更多數(shù)據(jù)使實(shí)驗(yàn)更加精準(zhǔn).

［1］梁燦彬，等.普通物理學(xué)教程：電磁學(xué)［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(yīng)定律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2009，29（10）：20－22.

［3］楊國(guó)仁，等.基于數(shù)字示波器的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.大學(xué)物理，2007，26（2）：32－34.

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