巧設脈動開關探究直流電能的傳輸

黃春如 熊小蘭

(江西省樟樹市第三中學,江西樟樹 331200)

1 問題提出與概述

變壓器[1][2]是以互感現象為基礎的電磁裝置,它的原理結構如圖1所示,繞在同一鐵芯上的兩個線圈(或稱繞組),聯接到電源上的稱為原線圈(初級線圈、初級繞組),聯接到負載上的稱為副線圈(次級線圈、次級繞組),兩個繞組的電路一般彼此不聯通(自耦變壓器例外),能量是靠鐵芯中的互感磁通來傳遞的.

圖1

在交變電流的作用下,電流通過原線圈時在鐵芯中激發磁場,由于電流的大小、方向在不斷變化,鐵芯中的磁場也在不斷變化.變化的磁場在副線圈中產生感應電動勢,所以盡管兩個線圈之間沒有導線相連,副線圈也能夠輸出電流.

從大學教程和現行高中課本不難看出,變壓器教學中均以交變電流的傳輸為前提,這并沒有錯,因為交流電是我們生產和生活的基礎.但筆者認為,變壓器在突出交流電傳輸主體教學的同時,為更好地體現“新課改”注重培養學生的科學素養,創新精神和實踐能力,建議在教學中增加變壓器對直流電傳輸問題的探究.這一建議來源于一次變壓器課堂教學之后的問題測試.問題:變壓器能否傳輸直流電?學生不假思索地會回答:不能.

變壓器不能改變恒定直流的電壓,但可以改變脈動直流的電壓,起到電能傳輸的目的.以此為原理設計的產品在現實生活中大量使用:

圖2

(1)汽油機點火裝置一[3].汽車中汽油發動機的點火裝置是利用感應圈的原理制成的.感應圈是互感現象的重要應用之一,它實際上就是一個小功率的升壓變壓器,它能將十幾伏的直流低電壓變成數萬伏的高電壓,是科學實驗中經常用來取得高壓的一種電源設備.其結構原理如圖2所示,當螺旋調節器觸點Z與帶有鐵頭的彈簧片P接觸時,合上電源開關S,初級線圈中有恒定直流通過,于是鐵芯被磁化吸引彈簧片,但此時卻切斷了電路.鐵芯失去磁性便放開彈簧片,彈簧片又與觸點Z接觸,電路再度被接通.如此不斷地重復下去,低壓恒定直流就變成了脈動直流.……

(2)汽油機點火裝置二[4].汽油機做功沖程開始時,汽缸中的汽油—空氣混合氣體要靠火花塞點燃,但是汽車蓄電池的電壓只有12 V,不能在火花塞中產生火花,為此設計了如圖3所示的點火裝置,這個裝置的核心是一個變壓器,它的初級線圈通過開關連到蓄電池上,次級線圈接到火化塞的兩端,開關由機械進行自動控制,做功沖程開始時,開關由閉合變為斷開,這樣就能在火花塞中產生火花了.

圖3

為使學生更好地經歷科學探究過程,認識科學探究的意義,嘗試應用科學探究的方法研究物理問題,驗證物理規律.在“交變電流—變壓器”一節教學之后,我們在圖 3的基礎上進行了改革和創新,設計了一種新的直流變壓器供學生學習探究.這種裝置取材容易,結構簡單,方便學生合作性學習探究,且效果明顯.

直流變壓器的關鍵之一是設計出簡單實用的脈動開關,使初級直流通斷變化,在原線圈中提供變化的磁通,實現電能的傳輸.實驗原理如圖4所示,脈動開關采用簡易電動機獲得,電機轉動時它的轉軸作為“自動通斷電裝置”,它可以把由電池供給的直流電改變為時有時無的脈沖電流,從而使線圈在轉動的一周內,只有半周線圈中有電流,此時在磁場力作用下線圈加速旋轉,另半周線圈中無電流,這時線圈依靠慣性轉動.這樣的設計使圖3中由機械進行自動控制的開關變為一般情況下可制作且能實現持續通斷的開關.為有利于學生探究活動的開展,體驗變壓器的構造與功能,固定不可拆的變壓器鐵芯用廢舊行輸出變壓器中的磁芯替代.原、副線圈用漆包線在 PVC管(或紙筒、竹管均行)上繞制.火花塞用發光二極管替代.為使電路初級回路中的電流可控,在圖3的基礎上增加了開關、滑線變阻器、電流表.

圖4

2 實驗裝置制作

2.1 工具與材料

尖嘴鉗,小刀.小磁鐵,漆包線,裸銅線,膠帶紙,直徑約2 cm、高約3 cm的 PVC管兩段(護線管),導線,開關,滑線變阻器,直流電流表,木板,圖釘,廢舊手機電池,廢舊電視機行輸出磁芯,發光二極管等.

2.2 制作過程

(1)以一長約45～50 cm、寬約25～30 cm 的長方形木板為底座,在底座上放置小磁鐵,磁鐵兩側各用一根直徑1～2 mm、長約10～12 cm的裸銅線做一線圈支架并兼作線圈與電源間的連線.

(2)將直徑約0.5 mm、長約200 cm的漆包線以手機電池為骨架(或長方形木塊)在其上繞 10～12圈,兩端各留2 cm作為引出線,2根引出線從線圈的正中引出,且兩引出線的連線基本通過線圈的重心,使兩引出線作轉軸時能保證線圈平穩轉動,用膠帶紙或細線將線圈扎緊.

圖5

(3)把線圈平放在桌面上,用鋒利的小刀將線圈兩端引出線(兼作轉軸)與支架接觸部分的下半圈絕緣漆刮去(注意:另上半圈上的絕緣漆要保留著),即制成一“自動通斷電裝置”,也是本文中的核心部件“脈動開關”.

(4)把線圈的兩引出線分別裝在裸銅線支架上方的圓環中,使其可以靈活轉動.如發現線圈兩側不平衡,可略為調整軸線的位置或在輕的一側粘貼膠帶紙作為配重.調整線圈與磁鐵間的距離,找到一個最佳位置,使線圈不僅能轉動,而且能轉得較快.

(5)將直徑約0.5 mm漆包線密繞在PVC管上制作原、副線圈:繞40～60圈作初級線圈;繞30～50圈作次級線圈,并連上發光二極管.制作器件實物圖如圖5所示.

3 實驗過程與分析

(1)按圖4連接好電路.移開磁鐵,使轉子線圈置于支架上,在磁鐵位置放上一枚小磁針,并使磁針處在線圈的正下方,磁極方向與轉子線圈下邊平行;與原線圈連接的二極管接成反向.閉合開關,觀察磁針是否偏轉(解釋成因).改變變阻器阻值,使初級回路電流約0.4 A(由于反向連接,此時與原線圈相連的二極管不發光),再斷開開關.

(2)移開小磁針,移回磁鐵,使轉子線圈置于支架上,閉合開關,使電動機能正常轉動.觀察電流表指針指示情況;觀察與原線圈、副線圈相連的二極管發光情況,用已學知識解釋看到的現象.(使副線圈上下位置對調套在磁芯上,觀察變化前、后二極管發光情況,從而判定副線圈中電流的方向.用示波器觀測變壓器初、次級兩端的電壓波形,用電磁感應知識解釋其原因)

(3)閉合開關前后,用手提磁芯上半部分,比較前、后兩次手用力大小的異同,并注意磁芯作用產生聲音的異同,解釋發生的現象.(閉合開關前鐵芯上下兩部分間無磁力作用,閉合開關后鐵芯上下兩部分間磁力作用非常明顯.通電時由于磁力的作用,磁芯間有碰觸的聲音.通過這些體驗,使學生明確變壓器原、副線圈中的“電”是通過鐵芯中的“磁”來“相互”聯系的.接通電源,鐵芯被磁化,并不帶電,鐵芯吸合在一起構成閉合磁路,鐵芯內部有磁場,磁場是具有能量的.變壓器就是把電能通過磁場能再轉換成電能的裝置)

(4)對換原、副線圈后接入電路,閉合開關后,觀察二極管發光亮度有無變化.對比前后兩次結果,定性分析亮度與匝數間的關系.

(5)改變電源極性或改變磁鐵極性(上下倒置),閉合電路后觀察轉子旋轉方向有無變化.解釋看到的現象并檢驗安培力左手定則.

上述實驗對培養學生的科學素養、創新精神和實踐能力十分有效.由于取材容易、制作簡單、原理清楚,在進行合作性探究學習的過程中,學生動手的積極性空全高漲,興趣濃厚,而且對觀察到的現象能運用所學知識進行解釋.

1 趙凱華、陳熙謀.電磁學(下冊).北京:高等教育出版社,1984.251～261

2 普通高中課程標準實驗教科書.物理選修 3-2(第2版).北京:人民教育出版社,2006.39～42

3 普通高中課程標準實驗教科書.物理選修 3-2.教師教學用書(第4版).北京:人民教育出版社,2010.115～117

4 普通高中課程標準實驗教科書.物理選修 3-2.教師教學用書(第4版).北京:人民教育出版社,2010.120