新型滑動變壓器演示儀

郝占朋 唐齊林 張智奇

(東北師范大學物理學院,吉林長春 130024)

1 引言

變壓器是生產生活中重要的電器設備,普通變壓器依據電磁感應原理由原、副線圈及鐵芯組成,為減少漏磁,鐵芯是閉合的,通過改變原副線圈的匝數比來實現電壓的改變.當使原副線圈匝數不變,而改變原副線圈磁頭間的距離d時同樣可以實現電壓的改變,據此制成新型滑動變壓器.此儀器用于中學教學,能很好的演示電磁感應原理,即磁通量的改變產生感應電動勢;演示漏磁現象對電壓傳輸影響較大的實質,從側面說明普通變壓器防止漏磁的必要性;此滑動變壓器通過改變磁芯間距改變電壓,打破傳統思維局限,有利益引導學生發揮想象、擴展學生視野、加深對電磁感應現象的深入理解.本文介紹了此種滑動變壓器的制作和演示方法.

2 演示儀實驗原理

即

又k與電流、介質材料等有關,與兩線圈的相對位置有關,因此,k與鐵芯間距離d有關系,所以當材料、電流、介質不變時,改變鐵芯間距離d可以實現電壓的變化,從而電壓是間距 d的函數,如圖1,有

A為比例系數.

圖1

(2)鐵芯大小固定,線圈匝數及大小固定,則總線圈面積S不變,鐵芯間距不同則電磁場磁感應強度B不同,改變兩線圈間距即可改變磁感應強度,從而改變磁通量 Φ,產生感應電動勢E.

3 演示儀的材料與制作

(1)取兩根直徑為1 cm、長為20 cm的鐵棒,分別從距兩端5 cm處折彎成直角,作為一對分開的鐵芯;

(2)用稍細的長漆包線緊密繞3層于鐵芯中段,用膠水粘緊以免松散開,兩端留有接線頭;

(3)制作有機玻璃盒,用刻刀或鋼鋸截取兩塊長25 cm、寬12.5 cm的透明有機玻璃板作為盒的底板和盒蓋,再截取兩條長25 cm、寬 2 cm,一條長 12.5 cm、寬2 cm的長條做盒的側面;

圖2

(4)用氯仿將以上材料粘成無蓋玻璃盒,同時使一鐵芯固定于盒底左端,粘兩把塑料刻度尺于盒底兩側,零刻度從鐵芯磁頭開始(如圖2);

(5)使鐵芯磁頭兩兩相對放置,另一移動鐵芯,拉桿由廢棄條塊制成;

(6)粘緊盒蓋,并使接線頭伸出盒外,接上學生用交流電源和交流毫伏表,拉動拉桿即可進行實驗演示.

4 操作演示與部分實驗結果

(1)按以上裝置簡圖連接各儀器;(2)推動拉桿使兩鐵芯緊密接觸;(3)打開學生用交流電源開關,觀察到交流毫伏表指針偏轉一較大角度;

(4)向外拉動拉桿可看到毫伏表示數減小,每移動1 cm讀一個電壓示數;

(5)往返拉動鐵芯觀察毫伏表示數,可觀察到電壓U1與間距d成反比趨勢.

表1為本演示儀實驗測量的數據.

表1

表1中數據說明:改變鐵芯間距 d實現了電壓的改變,U2隨d的增加而減小,且減小速度很快,U1的單位是V,而 U2的單位是mV,表明漏磁對磁路的影響較大,漏磁主要是由空氣間隙引起.

5 結束語

本實驗根據電磁感應原理改變磁頭間距 d實現電壓U的改變制成一小型滑動變壓器.此設備近幾年剛被應用于碼頭貨物運輸、采礦、天然氣、石油開采等行業中,具有安全可靠、高效靈活的特性,開創了電能傳輸的新方法.例如滑動變壓器式自動化碼頭非接觸感應電能傳輸系統的核心部件,可以實現高速貨物運輸小車的安全供電等.此演示儀應用于教學中能針對空隙磁阻、磁路、互感現象、特別是對傳輸的影響等電磁學現象進行直觀的演示,從而激發學習興趣,引導和幫助學生更好的理解和應用電磁學知識.

1 賈玉潤,王公冶,凌佩玲.大學物理實驗.上海:復旦大學出版社,1987.267-269

2 趙凱華,陳熙謀.電磁學.北京:高等教育出版社,1985.

3 正田英介.電磁學.北京:科學出版社,2001.107-124,138-143