王文蓮

（山西大同大學，山西 大同 037039）

跳環(huán)實驗對改進電梯緩沖器的探究與分析

王文蓮

（山西大同大學，山西 大同 037039）

跳環(huán)實驗是電磁感應方面的演示實驗。在一般情況下，互感原理是跳環(huán)實驗現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，然而互感對于跳環(huán)實驗中當電壓調(diào)節(jié)到一定值時，鋁環(huán)可以長時間懸浮在一定位置這一現(xiàn)象并不能給予合理的解釋。文章對跳環(huán)實驗過程結果做了詳細的分析，探究了該實驗的實驗原理，并把該原理運用于改進電梯的緩沖器上。

電磁感應；跳環(huán)實驗；螺線管；鋁環(huán)；電梯；緩沖器

一、引言

“跳環(huán)實驗”常用來解釋電磁感應現(xiàn)象，把一個軟鐵棒插入一空著的密繞螺線管中，然后把鋁環(huán)套在軟鐵棒上，當打開交流電源開關后，螺線管通電，原本靜止套在軟鐵棒上的鋁環(huán)會向上跳起，除此之外，如果調(diào)整電壓到一特殊值，鋁環(huán)還會保持一定時間懸浮在螺線管上方某一位置。需要注意的是，通電時間如果超過30秒，就可能會燒壞螺線管[1]。當我們把兩個相同的鋁環(huán)套在軟鐵棒上后，打開交流電源開關，我們會發(fā)現(xiàn)兩個鋁環(huán)竟然都跳起，并離開了鐵棒。由此可知，在這兩次實驗中作用在鋁環(huán)和螺線管之間的作用力都是排斥力，怎樣解釋接通交變電流就可以產(chǎn)生一個始終是斥力的效應呢？以及如何解釋為什么兩個鋁環(huán)疊在一起時跳起的高度卻比一個鋁環(huán)跳起的高呢？

二、跳環(huán)基礎實驗

1.實驗原理

電磁感應：閉合導體放入電場中，隨著穿過導體的磁通量的變化，線圈中會出現(xiàn)相應的電流。

法拉第電磁感應定律：通過線圈的磁通量變化地越快，線圈中產(chǎn)生的感應電動勢ε越高，即。對于導體回路為多匝線圈，可定義全磁通：

楞次定律：閉合導體產(chǎn)生的感應電流會產(chǎn)生磁場，這磁場的方向總是與引起感應電流的磁通量的變化的方向相反[2]。

安培定律：通電導線在變化的磁場中會受到力的作用，滿足F=IBL[3]。

麥克斯韋渦旋電場理論：磁場隨時間變化，會在周圍產(chǎn)生電場，其環(huán)流值并不為零，其值等于感應電動勢，即

2.實驗器材

一對完全一樣的閉合的鋁環(huán)（a環(huán)）、鉆有多個窟窿的閉合的鋁環(huán)（b環(huán)）、不閉合的鋁環(huán)（c環(huán)）、閉合的塑料環(huán)（d環(huán)）、一個比a環(huán)大一圈的鋁環(huán)（e環(huán)），一個帶有一個小燈泡的線圈、橡皮泥、直尺[4]。

3.實驗過程

實驗1：將1個閉合的鋁環(huán)（a環(huán)）、鉆有多個窟窿的鋁環(huán)（b環(huán)）、不閉合的鋁環(huán)（c環(huán)）和閉合塑料環(huán)（d環(huán)）依次套在電磁跳環(huán)演示儀的鐵棒上，打開電源開關，并觀察跳環(huán)運動情況。

現(xiàn)象：a環(huán)和b環(huán)都會向上跳起，c環(huán)和d環(huán)保持原狀。

實驗2：首先把1個a環(huán)放入電磁感應跳環(huán)演示儀的鐵棒上，打開電源開關，會看到a環(huán)跳起，等a環(huán)穩(wěn)定懸浮在半空中時，再把大鋁環(huán)（e環(huán)）慢慢地套入演示儀的軟鐵棒中，使e環(huán)與穩(wěn)定的a環(huán)處在同一平面（近似），然后拿著e環(huán)輕輕地向上或向下移動，并仔細觀察實驗中鋁環(huán)的變化。

現(xiàn)象：a環(huán)總是隨著e環(huán)向上或向下運動[5]。

實驗3：首先在電磁跳環(huán)演示儀的鐵棒上慢慢地放進1個a環(huán)，打開電源開關后，可以看到a環(huán)向上移動，等a環(huán)近似靜止在鐵棒上時，再輕輕把另一個a環(huán)套入演示儀的鐵棒上，逐漸靠近懸浮在鐵棒上的a環(huán)，觀察鋁環(huán)的運動情況。

現(xiàn)象：當兩環(huán)的距離越來越近的時候，原來的a環(huán)會猛然向上跳動，而后兩環(huán)就會疊和。

實驗4：把連接著一個小燈泡的線圈放入電磁感應跳環(huán)演示儀中，打開電源開關，觀察小燈泡的情況。

現(xiàn)象：小燈泡發(fā)光。

實驗5：分別將a環(huán)與b環(huán)放入電磁感應跳環(huán)演示儀中，（a環(huán)是閉合的鋁環(huán)，b環(huán)是鉆有多個窟窿的鋁環(huán)），打開電源開關，兩個小鋁環(huán)都向上跳起，a環(huán)到達的最大高度為，b環(huán)到達的最大高度為，比較、的大小?，F(xiàn)象：h1>h2[6]。

4.實驗分析

實驗1分析：因為a環(huán)和b環(huán)是閉合的鋁環(huán)（鋁質(zhì)材料為導體），當打開電源開關時，螺線圈通電，通電螺線管一剎那會在周圍空間產(chǎn)生相應的感應磁場，導致通過鋁環(huán)的磁通量值瞬時增大，根據(jù)電磁感應定律以及楞次定律，鋁環(huán)將會產(chǎn)生相應的感應電流來激發(fā)相對于通電螺線圈激發(fā)磁場相反的磁場來“抵抗”穿過鋁環(huán)磁通量值的增加，根據(jù)安培定律可以判斷出鋁環(huán)受到的是向上的安培力作用（鋁環(huán)所受安培力與鋁環(huán)自身重力方向相反并遠大于重力），所以在通電后鋁環(huán)會向上跳。對于c環(huán)，雖然也是鋁環(huán)，但c環(huán)不是封閉的，形不成閉合導體回路，所以無法產(chǎn)生感應電流，因此不會受到任何方向的安培力，且c環(huán)受到重力的作用仍靜止不動在原地。d環(huán)是塑料環(huán)不是導體，不可導電，即無法產(chǎn)生感應電流，所以不受到安培力，仍靜止在原地[7]。

實驗2分析：當e環(huán)放入演示儀的軟鐵棒并移動時，e環(huán)由于電磁感應在自身形成閉合環(huán)路并產(chǎn)生感應電流，這感應電流又激發(fā)了磁場，在e環(huán)越來越靠近a環(huán)時，感應電流激發(fā)出來的磁場又會對a環(huán)產(chǎn)生影響。由楞次定律和安培定律可知，當e環(huán)在演示儀上上下運動時，由感應電流產(chǎn)生的磁場又會影響a環(huán)的磁通量。很顯然，當e環(huán)向a環(huán)移動時，穿過a環(huán)的磁通量會增加，a環(huán)會沿e環(huán)移動的同方向移動，當e環(huán)遠離a環(huán)時，同理，穿過a環(huán)的磁通量會減小，所以a環(huán)會追著e環(huán)移動，總之a(chǎn)環(huán)會隨著e環(huán)一起向上（或向下）運動。

實驗3分析：通電螺線圈的電流是交變電流，因而會產(chǎn)生變化的磁場，放入電磁感應跳環(huán)演示儀后會產(chǎn)生渦旋電場，把兩個a環(huán)都放入時，它們都會產(chǎn)生渦旋電場，從而會產(chǎn)生感應電流，其方向相同。根據(jù)安培定律可知，電流方向相同的兩根導線會產(chǎn)生吸引力，同理兩個小鋁環(huán)會產(chǎn)生引力，在兩個鋁環(huán)距離很近的時候，兩鋁環(huán)之間會產(chǎn)生遠大于自身重力的吸引力，所以會看到原來的a環(huán)向上跳，兩個鋁環(huán)最終會疊在一起[8]。

實驗4分析：根據(jù)麥克斯韋的渦旋電場理論，通電螺線管的線圈接交流電，通電螺線管在周圍空間會產(chǎn)生磁場，而這磁場又會感應出電場，當連接著小燈泡的線圈放入這一磁場時（穿過線圈的磁通量矢量和不可為0），線圈就會產(chǎn)生感應電流，所以小燈泡發(fā)光。實驗5分析：解釋1：根據(jù)麥克斯韋的渦旋電場理論，電磁感應跳環(huán)演示儀通電后，通電螺線管會產(chǎn)生磁場，而這種磁場是變化的并會產(chǎn)生相應的電場。因為b環(huán)鉆有許多小孔阻礙了渦旋電流的形成，而a環(huán)沒有小孔，所以可以形成許多渦旋電流，所以a環(huán)的渦旋電流遠遠多于b環(huán)，再根據(jù)安培定律可以得知，a環(huán)受到的安培斥力比b環(huán)的斥力要大，因此a環(huán)跳的高度比b環(huán)要大，即h1>h2[9]。

再根據(jù)安培定律就可以得出a環(huán)受到的安培斥力比b環(huán)受到的安培斥力大，因此a環(huán)跳的最大高度大于b環(huán)，即h1>h2。

三、引伸實驗

1.實驗過程

將兩個閉合的鋁環(huán)（a環(huán)）都在環(huán)身粘一圈橡皮泥（只在環(huán)的下表面粘上），使橡皮泥突出鋁環(huán)一定的高度，橡皮泥質(zhì)量大約為鋁環(huán)的2倍，兩塊橡皮泥一樣重，并使橡皮泥粘在環(huán)上的位置也相同。測量橡皮泥的高度。

（1）在電磁演示儀開關還未打開時，拿一個粘好的鋁環(huán)從電磁演示儀的鐵棒頂端輕輕放下（有橡皮泥的一面朝下），觀察鋁環(huán)運動狀態(tài)，并待落到底部后小心拿起鋁環(huán)測量橡皮泥的高度。

（2）先打開電磁演示儀電源開關，同上，拿另一個粘好的鋁環(huán)從電磁演示儀的鐵棒頂端輕輕放下（有橡皮泥的一面朝下），觀察鋁環(huán)運動狀態(tài)，并待落到底部后小心拿起測量橡皮泥的高度。

現(xiàn)象：橡皮泥的初始高度是1cm，實驗中鋁環(huán)快速落下，橡皮泥高度約為0.8cm；實驗中鋁環(huán)以較慢速度下降，橡皮泥高度約為0.9cm。

2.實驗分析

實驗分析：電磁演示儀打開后，在周圍空間產(chǎn)生了感應磁場，鋁環(huán)受到磁場的影響產(chǎn)生了感應電流，因此受到了向上的安培力，下降會比沒有磁場時慢，而且根據(jù)橡皮泥的形變，可以看出有磁場的情況下，會減輕與底座的撞擊[11]。

四、跳環(huán)實驗的應用

近幾年內(nèi)，電梯事故頻頻發(fā)生，讓人心有恐懼。雖然大家對電梯安全知識和各種注意事項了解的越來越多，但電梯慘劇還是不可避免。

電梯一般常用的安全裝置是限速器、安全鉗、緩沖器、光幕與安全觸板。在這些裝置里緩沖器的作用是減少震動，減輕對轎廂和在內(nèi)的人與物的損害。是我們研究的主要對象。緩沖器一般使用液壓緩沖器，液壓緩沖器的組成部分分別為柱塞、液壓缸、還有起復位作用的彈簧。在柱塞的上方有圓環(huán)形的小孔，可以節(jié)流，柱塞與液壓缸之間注滿油。當電梯壓住緩沖器，柱塞會向下方壓下，從而減小壓縮缸的容積，把油壓到回油孔，在回油孔形成渦流壓縮缸體內(nèi)的油，這樣就可以把電梯對緩沖器的動能轉化成熱能[12]，減輕電梯對地面的撞擊，保護電梯和人的安全。但是液壓緩沖器只在電梯轎身接近地面時起作用，而從高處下降時人們從失重狀態(tài)到突然落地后身體機制無法適應，會傷害到骨骼。

本文利用跳環(huán)實驗原理對緩沖器在高處的緩沖作用進行了一些補充和改造。在電梯最底部安裝一個大型電磁鐵（通電螺線管），電梯的轎廂本身可以看作一個大大的鋁環(huán)（轎身的頂與底需各留一個絕緣圈，使轎廂成為一個真正的大鋁環(huán)，如果轎身都是導體，那么磁通量會為0）。當出現(xiàn)意外，電梯突然墜落時。打開電源開關（電源的開關可用遙控式開關，安在電梯乘客觸手可及的地方，方便緊急情況使用），電磁鐵接通交變電流后，會在周圍空間產(chǎn)生磁場，穿過電梯轎身（鋁環(huán)）的磁通量會急速上升，轎身就會受到磁場的作用產(chǎn)生感應電流來抵抗磁通量的增加，因此會受到向上的安培力的作用，從而在高處便可以減緩轎身的降落速度。這樣再配合液壓緩沖器在離地面近距離的緩沖，乘客便可以安全降落的地面。

五、結語

電磁跳環(huán)演示實驗涉及到了包括電磁感應原理、法拉第電磁感應定律、楞次定律、安培定律、麥克斯韋渦旋電場理論、自感與互感等各種重要的電磁學基本原理，通過對電磁跳環(huán)演示實驗的分析與探究，讓讀者更清晰地了解了自感在跳環(huán)實驗中起到的作用，對自感有了更深入的了解，提高了對物理教學實驗的興趣，加深了對電磁學基礎的理解，更好地掌握物理學理論知識[13]。此外利用電磁跳環(huán)原理應用于現(xiàn)實生活加深了實驗的現(xiàn)實意義，把理論與實踐相結合，為電梯目前存在的一些危險提出了意見，并簡述了對于電梯改造的想法。

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The Exploration and Analysis of Skip Ring Experiment to Improve Elevator's Bumper

Wang Wen-lian
（Datong University,Datong Shanxi 037039，China）

Skip ring experiment（floating ring experiment） is a typical experiment in physical teaching which demonstrates the phenomenon of electromagnetic induction.General explanation of skip ring experiment phenomenon is caused by mutual inductance,but it can't explain the phenomenon properly.When the voltage is regulatored to value,aluminum ring can be suspended in a certain position for a long time.This paper made a detailed introduction to the jump ring experiment and analysis and probed into the experimental principle.And apply this principle to improve elevator's bumper.

skip ring experiment;electromagnetic induction;solenoid;aluminum rim;elevator;buffer

TV857

A

1672-0547（2015)04-0108-03

2015-07-16

王文蓮（1978-),女,山西大同人,山西大同大學大同師范分校講師,碩士,研究方向：大學物理教學和物理課程教學論。