(江蘇省丹陽高級中學(xué),江蘇 丹陽 212300)

1 引言

跳環(huán)實驗是關(guān)于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的著名演示實驗,在圓柱形鐵心上繞一個多匝線圈,將一輕質(zhì)鋁環(huán)套在鐵棒上,當線圈接通電源時,鋁環(huán)便向上跳起,故稱“跳環(huán)”實驗。該實驗?zāi)芤砸环N強烈的視覺沖擊來演繹電磁感應(yīng)定律和楞次定律,具有非常好的教學(xué)功能。筆者用兩種不同方案對此進行了制作和實驗,效果較好。

2 制作方案

2.1 低壓電源版

電路如圖1所示,制作要用到的電子元件有:

(1) 18650鋰離子電池。其電動勢為4.2V,3節(jié)串聯(lián)可得到12.6V的電壓。

(2) ZVS升壓集成板。它有4個接線柱,其中兩個輸入接線柱接鋰離子電池組的輸出端；另外兩個接線柱能輸出450V的直流高壓。

(3) 標稱為“500V,1000uF”的電解電容。升壓集成塊的輸出端可直接與電容兩極相連,對其進行充電,注意正負極不能接反。

(4) 70TPFS16晶閘管?！?0”指它能通過70A的電流,“16”指它能承受1600V的高壓。晶閘管相當于一個無觸點開關(guān),它有K、A、G三個引腳，當GK腳之間不通電時,AK處于斷開狀態(tài),當GK之間通過150mA左右的觸發(fā)電流時,AK處于導(dǎo)通狀態(tài),能通過高達70A的超大電流,所以它實際就是一個用小電流控制大電流的無觸點開關(guān),用于控制充電后的電容器對線圈進行大電流放電,原因是一般的觸點式開關(guān)無法承受較強的沖擊電流,易燒毀。

(5) 線圈。在內(nèi)徑為8mm的PVC管上用直徑0.8mm的漆包線繞6層,每層30匝,共計180匝。

(6) FR607續(xù)流二極管。由于電容器放電時線圈中電流急劇增大又急劇減小,如果沒有該二極管的續(xù)流作用,會在線圈兩端形成極高的自感電動勢,造成其他電子元件的損壞。

(7) 觸發(fā)開關(guān)兩個。該開關(guān)為非自鎖型,按下接通,不按斷開。一個用于控制充電,一個用于控制放電。

(8) 數(shù)字電壓表。用于監(jiān)測電容器兩端電壓變化情況。

圖1

圖2

優(yōu)點：成本低,功耗小,體積小便攜,低壓安全。

2.2 高壓電源版

高壓電源版跳環(huán)實驗裝置如圖3所示，電路原理如圖4所示，220V交流電通過四個二極管組成的橋式整流電路得到峰值為311V的直流電。電容器仍用“500V,1000uF”的電解電容，為了獲得更好的效果，可用多個電容并聯(lián)使用。當雙刀雙擲開關(guān)與左側(cè)兩端點連通時,電容器充電1-2s,再與右側(cè)兩端點連接時,電容器對線圈放電,鋁環(huán)跳起的基本原理與方案1相同,不再累述。

圖3

圖4

特點：制作原理看似簡單,但由于利用高電壓、大電流充放電,對實際操作能力要求嚴格,對元器件的要求也較高，應(yīng)當注意安全。

本實驗可用微信掃描圖5所示的二維碼直接觀看。

圖5

3 結(jié)語

楞次定律是高中物理電磁學(xué)部分的一個重點教學(xué)內(nèi)容,本文介紹了物理實驗“楞次跳環(huán)”的創(chuàng)新制作方案,通過觀察實驗現(xiàn)象，并對其科學(xué)原理進行剖析,能夠幫助學(xué)生更好更快地理解和掌握該定律，也能夠幫助教師更好地進行相關(guān)實驗教學(xué)。