倪 峰

(德清縣高級(jí)中學(xué) 浙江 湖州 313200)

無線輸電演示儀

倪 峰

(德清縣高級(jí)中學(xué) 浙江 湖州 313200)

自制的無線輸電演示儀，能直觀演示無線輸電的兩種方式，取得良好的教學(xué)效果，該演示儀能讓學(xué)生體念電磁波的魅力，激發(fā)學(xué)生的好奇心，點(diǎn)燃學(xué)生的科學(xué)興趣，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)．

自制 無線輸電 高頻電磁波

人教版選修3-4教材第十四章第1節(jié)“電磁波的發(fā)現(xiàn)”，闡述了1886年赫茲的電火花實(shí)驗(yàn)，人類首次捕捉到電磁波[1]．若能在教學(xué)課堂上利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)直觀演示電磁波的捕捉來實(shí)現(xiàn)無線輸電，對(duì)教師的教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的好奇心和提高科學(xué)素養(yǎng)會(huì)很有幫助．

1 演示儀電路圖

自制的無線輸電演示儀，如圖1所示.

圖1 演示儀電路圖

幾點(diǎn)重要說明：

(1)繞有3匝細(xì)導(dǎo)線的為演示儀初級(jí)，繞有500匝漆包線的為演示儀次級(jí)．

(2)三極管在該演示儀中具有核心地位，在電路中具有兩大作用．起放大電流的作用，起逆變器的作用(對(duì)直流電進(jìn)行開關(guān)，使直流電變成交流電)．

(3)該演示儀實(shí)際上是串聯(lián)諧振變壓器，接通電路后，由于電路是開放的，裝置的次級(jí)會(huì)發(fā)射出較高強(qiáng)度的高頻電磁波．該演示儀正是利用次級(jí)發(fā)出的高頻電磁波實(shí)現(xiàn)無線輸電．

2 實(shí)驗(yàn)原理

(1)熒光燈發(fā)光原理.接通電路后，裝置的次級(jí)會(huì)發(fā)出較高強(qiáng)度的高頻電磁波，使熒光燈內(nèi)的惰性氣體在高壓下電離，形成氣體導(dǎo)電電流，運(yùn)動(dòng)的氣體離子與汞原子不斷碰撞，給予汞原子能量，使汞原子躍遷到高能級(jí)，但不穩(wěn)定，之后汞原子躍遷到低能級(jí)釋放光子，高能的光子與熒光粉發(fā)射碰撞，釋放白光[2]．

(2)LED燈發(fā)光原理.接通電路后，裝置的次級(jí)會(huì)發(fā)出較高強(qiáng)度的高頻電磁波，高頻電磁波通過接有LED燈的線圈后，會(huì)在線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流通過整流的LED燈后會(huì)使LED燈發(fā)光[3]．

3 制作材料

12 cm×18 cm電木板1塊，KCD11船型開關(guān)1個(gè)，22 kΩ電阻1個(gè)，WPS2222A型三極管1個(gè)，9 V電池扣2個(gè)，9 V電池2塊，0.25 mm漆包線長(zhǎng)30 m，直徑3 cm長(zhǎng)9 cm的PVC管1根，3個(gè)可樂瓶蓋，熒光燈1只，LED燈1只，細(xì)導(dǎo)線若干條，絕緣膠布，電烙鐵，膠槍，剪刀，打火機(jī)．

4 制作過程

(1)制作次級(jí)和初級(jí).如圖2所示，用0.25 mm漆包線在直徑3 cm，長(zhǎng)9 cm的PVC管上均勻繞500匝，制成次級(jí)．用細(xì)導(dǎo)線在次級(jí)上均勻繞3匝，制成初級(jí)．用絕緣膠布將初級(jí)固定在次級(jí)上，并用膠槍打膠加固初級(jí)．(在繞制的次級(jí)的下端剩余漆包線和繞制的初級(jí)兩端的細(xì)導(dǎo)線要盡量留長(zhǎng)點(diǎn)，可方便排布導(dǎo)線)

圖2 次級(jí)和初級(jí)

(2)固定電學(xué)元件.圖3為演示儀電學(xué)元件的正面分布圖．用膠槍在12 cm×18 cm電木板的合適位置膠固上1個(gè)KCD11船型開關(guān)．在靠近船型開關(guān)的合適位置上平行插進(jìn)1個(gè)22 kΩ電阻和1個(gè)WPS2222A型三極管，在遠(yuǎn)離船型開關(guān)處用膠槍在電木板上膠固次級(jí)，將次級(jí)下端的漆包線和初級(jí)兩端的細(xì)導(dǎo)線插入電木板(電木板上插入以上電學(xué)元件時(shí)，位置不是絕對(duì)的，但一定要合適，一來美觀，二來方便接下來的排布導(dǎo)線)．將兩只電池扣串聯(lián)，正極一端導(dǎo)線接在開關(guān)上，負(fù)極一端導(dǎo)線接在三級(jí)管的發(fā)射極．圖4為插入電學(xué)元件后的背面分布圖．

圖3 演示儀電學(xué)元件正面分布圖

圖4 插入電學(xué)元件后的背面分布圖

(3)排布導(dǎo)線.用電烙鐵將電池紐扣的負(fù)極導(dǎo)線與三級(jí)管的發(fā)射極用電烙鐵一起烙住，如圖5紅圈Ⅰ處所示．將三級(jí)管的基集，電阻的一端和次級(jí)下端漆包線(尾部掛掉漆)一起烙住，如圖5紅圈Ⅱ處所示．三極管的集電極與初級(jí)的一端導(dǎo)線一起烙住，如圖5紅圈Ⅲ處所示．將電阻的另一端，初級(jí)的另一端導(dǎo)線和連接開關(guān)的導(dǎo)線一起烙住，如圖5紅圈，Ⅳ處．至此形成完整的通路，最后用膠槍膠固住導(dǎo)線，在電木板底部膠固住3只可樂蓋，形成穩(wěn)定底座，如圖6所示．

圖5 紅圈為電烙位置

圖6 成品演示儀

5 演示過程

裝上2塊9 V電池．打開船型開光．熒光燈接近裝置的次級(jí)，在靠近次級(jí)3～4 cm的位置，熒光燈被點(diǎn)亮，如圖7所示．繞有80匝線圈相連的LED燈靠近次級(jí)，LED燈被點(diǎn)亮，如圖8所示．關(guān)掉開關(guān)，取下電池．

圖7 熒光燈發(fā)光

圖8 LED燈發(fā)光

該演示儀，在次級(jí)不會(huì)產(chǎn)生電弧，是一種安全、小功率的無線輸電裝置，不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害，且制作起來比較簡(jiǎn)單．演示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直接明了，學(xué)生的感官容易受刺激，使學(xué)生對(duì)電磁波及無線輸電有更深入的了解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣．課后可鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手嘗試該演示儀的制作及改進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力及物理科學(xué)素養(yǎng)．

1 人民教育出版社，課程教材研究所，普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-4.北京：人民教育出版社，2011

2 牟春陽(yáng)，李世中，梁國(guó)強(qiáng).基于特斯拉線圈的無線電力傳輸系統(tǒng).科學(xué)技術(shù)與工程，2015，15 (13):77

3 李廣凱，梁海峰，趙成勇，等.幾種特殊輸電方式的分析比較和展望.中國(guó)電力，2004(4)：48

WirelessElectricPowerTransmissonDemonstrator

NiFeng

(DeqingSeniorhighschool,Huzhou,Zhejiang313200)

The self-made wireless electric power transmisson demonstrator can demonstrate two types of power transmission and get good teaching results. This demonstrator will let students experience the charms of electromagnetic field and stimulate students' curiosity. At the same time, it will ignite students' scientific interest and improve the students' science literacy.

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2016-04-06)