王立剛

（山東理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，山東淄博，255000）

1 研究背景及意義

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電、磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，對(duì)其本質(zhì)的深入研究所揭示的電、磁場(chǎng)之間的聯(lián)系對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立具有重大意義。電磁感應(yīng)現(xiàn)象在電工技術(shù)、電子技術(shù)以及電磁測(cè)量等方面都有廣泛的應(yīng)用。

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁場(chǎng)理論中非常重要又比較抽象的核心內(nèi)容，也是電類工程技術(shù)人員在工程實(shí)際中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象。在中學(xué)生以及本科生相關(guān)課程中開設(shè)“電磁感應(yīng)現(xiàn)象綜合演示實(shí)驗(yàn)”，可以形象、生動(dòng)地再現(xiàn)這一現(xiàn)象，使學(xué)生了解電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其在工程實(shí)際中的應(yīng)用，從而把基礎(chǔ)理論知識(shí)和工程實(shí)際問題聯(lián)系起來。開設(shè)這一實(shí)驗(yàn)還能引導(dǎo)學(xué)生從觀測(cè)的現(xiàn)象中思考和發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)一步做到分析和解決問題，從而把知識(shí)教育和能力培養(yǎng)結(jié)合起來。

電磁感應(yīng)現(xiàn)象演示器是一種物理教學(xué)演示儀器。為了形象、直觀地再現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，人們基于不同理念設(shè)計(jì)了很多種演示儀器。在物理教學(xué)中，為了直觀形象地說明自感、互感等現(xiàn)象，通常采用電感線圈和白熾燈泡來演示實(shí)驗(yàn)。這種演示電路的缺點(diǎn)是燈泡由暗變亮或由亮變暗的過渡時(shí)間太短且燈泡容易損壞；如果感應(yīng)電流太小，電磁感應(yīng)現(xiàn)象較難觀測(cè)到。本文介紹的“電磁感應(yīng)現(xiàn)象綜合演示平臺(tái)”，采用放大器和發(fā)光二極管的發(fā)光來演示電磁感應(yīng)、互感等現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)效果較好。本平臺(tái)已獲國(guó)家實(shí)用新型專利，專利號(hào)：ZL.201921218659.9。

2 法拉第電磁感應(yīng)定律的演示

在中學(xué)物理選修教材3-2 中講述“法拉第電磁感應(yīng)定律”是這樣定義的：如果時(shí)刻t1穿過閉合電路的磁通量是Φ1，時(shí)刻t2穿過閉合電路的磁通量Φ2，則在時(shí)間Δt=t2?t1，磁通量的變化量為ΔΦ=Φ2?Φ1，磁通量的變化率就是用E 表示閉合電路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，那么法拉第電磁感應(yīng)定律就可以表示為E=。閉合電路常常是一個(gè)匝數(shù)為N的線圈串聯(lián)，因此整個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是單匝線圈的N倍，即E=

■2.1 傳統(tǒng)演示

將條形磁鐵迅速插入或拔出線圈，用檢流計(jì)或微安表檢測(cè)感應(yīng)電流時(shí)?；蛴煤练頊y(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，觀察表針的擺動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是形象直觀，缺點(diǎn)是將永磁棒從線圈中迅速插拔時(shí)，微安表指針容易打彎，并且只能近距離觀察。

圖1 傳統(tǒng)演示儀器

■2.2 利用發(fā)光二極管演示

現(xiàn)用反并聯(lián)相接的兩個(gè)發(fā)光二極管作為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的負(fù)載（見圖2 原理電路），則發(fā)光二極管的兩端不論哪一端的電位高，總有一個(gè)處于正向，另一個(gè)處于反向。發(fā)光二極管，只有在加上正向電壓時(shí)才會(huì)發(fā)光。因此，條形永磁鐵插人線圈時(shí)使一個(gè)發(fā)光二極管發(fā)光，拔出時(shí)會(huì)使另一個(gè)發(fā)光。這個(gè)方法原理正確，但實(shí)際感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（幾～幾百mV）、感應(yīng)電流（幾十～幾百μA）都較小不足以使發(fā)光二極管發(fā)光（導(dǎo)通電壓約為2V，導(dǎo)通電流幾～十幾mA）。故這個(gè)電路實(shí)際不能應(yīng)用。

圖2 原理電路圖

■2.3 利用放大技術(shù)與發(fā)光二極管演示

本設(shè)計(jì)的演示是將條形磁鐵插入或拔出線圈時(shí)，線圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（電壓）視為一對(duì)極性相反的信號(hào)作為放大電路的輸入信號(hào)，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光。即發(fā)光二極管亮表明放大器有信號(hào)輸入，即條形磁鐵插入或拔出線圈時(shí)在線圈兩端產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。系統(tǒng)組成框圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)組成框圖

該電路的設(shè)計(jì)原理：保證條形磁鐵插入或拔出線圈時(shí)僅有一個(gè)發(fā)光二極管亮，不得同時(shí)亮，且工作要穩(wěn)定可靠。故需要兩個(gè)互補(bǔ)放大器分別驅(qū)動(dòng)兩只發(fā)光二極管，由于兩個(gè)電路輸入都接實(shí)驗(yàn)線圈兩端故加的是同一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作為輸入電壓。故條形磁鐵插入或拔出時(shí)兩放大管T1、T2的工作狀態(tài)相反（一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)截止）才行。故放大管分別采用NPN 管（9013）、PNP 管（8550），VCC采用3V 電源供電（兩節(jié)普通電池串聯(lián)即可）。電路如圖4 所示。

圖4 演示應(yīng)用電路圖

靜態(tài)時(shí)，T1、T2均截止，兩個(gè)LED 均不亮，將條形磁鐵迅速插入或拔出線圈，面板上的發(fā)光二極管就隨之閃亮，觀察哪個(gè)燈先亮，哪個(gè)后亮。若燈亮?xí)r間太短，可增大耦合電容C1、C2的容量，本測(cè)試選用容量100μF 的電解電容器。

3 互感現(xiàn)象的演示

互感原理：由兩個(gè)鄰近的線圈構(gòu)成的耦合電感線圈，當(dāng)線圈I 通以電流i1時(shí)，產(chǎn)生的磁通為Φ11，由于線圈II 鄰近線圈I，因此磁通Φ11的一部分或全部將與線圈II 交鏈，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在線圈II 中產(chǎn)生的互感電動(dòng)勢(shì)為，其中M 為互感系數(shù)。

方法1：用電源變壓器接通市電，將電感線圈（可用日光燈的鎮(zhèn)流器的線圈）直接置于變壓器的鐵心上，此時(shí)電源變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的磁通將穿過電感線圈并在線圈兩端產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)（較弱），經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)LED 發(fā)光。放大器及LED 顯示采用上面的電路即可，系統(tǒng)組成框圖見圖5。演示電路如圖6 所示，Tr1為電源變壓器，L1為電感線圈。

圖5 互感現(xiàn)象系統(tǒng)組成框圖

圖6 互感現(xiàn)象演示電路圖

方法2：將變壓器線圈接通市電，將電感鎮(zhèn)流器的矽鋼片柱豎起，則在矽鋼片中激發(fā)出交變磁場(chǎng)，把另一個(gè)線圈（上面演示所用線圈即可）套在矽鋼片上，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，則在該線圈兩端產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)（較弱），經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)LED 發(fā)光。系統(tǒng)實(shí)物圖見圖7。

圖7 系統(tǒng)實(shí)物圖

4 結(jié)語

采用傳統(tǒng)演示與現(xiàn)代電子技術(shù)的結(jié)合，借助放大電路及發(fā)光二極管的發(fā)光來直觀演示電磁感應(yīng)現(xiàn)象；互感現(xiàn)象的演示巧妙地利用電源變壓器以及日光燈的鎮(zhèn)流器（可單獨(dú)利用其線圈，也可單獨(dú)利用其鐵心（矽鋼片柱））。具有原創(chuàng)性，且整體操作起來簡(jiǎn)單方便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也比較可靠。避免用傳統(tǒng)的檢流計(jì)或微安表檢測(cè)電流時(shí)指針容易打彎的缺點(diǎn)。對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行放大處理時(shí)，既要考慮靜態(tài)LED 不亮又要兼顧導(dǎo)通只有一只LED 亮且穩(wěn)定可靠，給電路設(shè)計(jì)調(diào)試帶來一定麻煩，該平臺(tái)設(shè)計(jì)思路清晰，制作成本低（電路板僅幾元），性價(jià)比高，實(shí)際工作可靠。利用該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，可以增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，也能讓學(xué)生在簡(jiǎn)單的操作中思考實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)理念，感受創(chuàng)新思想，進(jìn)而有效地激發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維，滲透學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任意識(shí)。該平臺(tái)可應(yīng)用于中學(xué)物理和大學(xué)物理的電磁感應(yīng)現(xiàn)象的課堂演示。