跳圈實驗的啟示

余念祖

(昆明市第十二中學(xué) 云南 昆明 650041)

楞次定律是電磁感應(yīng)中一個十分重要的定律，然而，筆者卻發(fā)現(xiàn)目前教科書中有關(guān)楞次定律的表述與“跳圈實驗”不完全相符.我認(rèn)為，該定律的描述存在缺陷，需要糾正.2012年筆者又仔細(xì)地重做了跳圈實驗，實驗結(jié)果是成功的，再次證實了楞次定律的描述存在問題.現(xiàn)把這個實驗的情況及筆者的分析介紹給大家.

筆者實驗的目的是要觀察“跳圈”(實際就是幾個鋁和銅的閉合線圈)在下述幾種情況下的運動，以證實筆者多年的懷疑.實驗分3種情況進(jìn)行.

1 有鐵芯時的實驗

(1)實驗器材

鐵芯1個(一捆幾十根長約40 cm的軟鐵絲)，金屬線圈3個，即鋁圈a(較厚約2.4 mm)、鋁圈b(較薄約0.5 mm)、銅圈c，原線圈(由多匝的漆包線繞成)1個，插頭和按鈕開關(guān)各1個,導(dǎo)線若干.

(2)操作和觀察

1)將原線圈豎放(即線圈的中心軸在豎直方向)，插入鐵芯，也使其豎直.接到220 V交流電路上(開關(guān)是斷開的)，鐵芯套上鋁圈a，按下按鈕接通電路(時間要短,因?qū)Ь€過細(xì)、電流過大)，觀察到鋁圈a迅速跳起約50 cm高(圖1).

圖1 用鋁圈a進(jìn)行實驗

將原線圈倒過來豎放再做，a圈仍然迅速跳起約50 cm高，沒有差別.

2)其他不變，將鋁圈a換成b圈，短時接通電路，觀察到b圈跳起約25 cm懸于空中，說明此處向上的推斥力等于重力，倒過來放也是一樣(圖2).

圖2 用鋁圈b進(jìn)行實驗

3)其他不變，把鋁圈b換成銅圈c.短時接通電路，觀察到c迅速跳起約53 cm高.(圖3)

圖3 用鋁圈c進(jìn)行實驗

這就是有鐵芯的跳圈實驗.實驗中3個金屬圈都跳起,說明它們都是被推斥的.這就明顯地與楞次定律不符了.因為按楞次定律,實驗中兩個線圈(即原線圈和副線圈)之間的作用不全是推斥，也不全是吸引.然而，觀察到的卻全是推斥.為說明這個問題，需仔細(xì)分析一下.

結(jié)合電磁感應(yīng)定律，上述變化可用圖4表示.為簡明一點，原電流i和原磁通量Φ用同一曲線表示，感生電流i′和感生磁通量Φ′用同一曲線表示.

圖4

2 無鐵芯的實驗

(1)實驗器材

懸掛的支架1個,約1.3 m的懸線2根,小夾子2個，其余器材與以上相同.

(2)操作和觀察

由于去掉了鐵芯，磁場的作用力會大為減小，原線圈需平放(軸線在水平面上)，依次將a,b,c三個副線圈懸掛起來，盡量靠近原線圈的端部且盡量使它們的軸在同一直線上.

1)懸掛a圈，接好電路，用按鈕短時接通電路，觀察到a圈被推開約9 cm(圖5).

圖5 去掉鐵芯后用a進(jìn)行實驗

2)懸掛b圈，用按鈕短時接通電路，觀察到b圈被推開約2 cm(圖6).

圖6 去掉鐵芯后用b進(jìn)行實驗

3)懸掛c圈，用按鈕短時接通電路，觀察到c圈被推開約4.5 cm(圖7).

圖7 去掉鐵芯后用c進(jìn)行實驗

根據(jù)以上實驗，無鐵芯時照樣被推斥，可見a,b,c三個副線圈之所以被推斥并非因為“磁滯”的緣故，“磁滯說”不能成立.同時,還說明圖4所表示的是不對的，應(yīng)當(dāng)如圖8所示,兩磁場的方向總是相反才符合實際.“楞次定律”的普遍適用性受到了質(zhì)疑，至少在連續(xù)交變的磁場中該定律是不符合的.

圖8

3 不同軸時的實驗

所謂不同軸就是將a,b,c圈懸放在原線圈旁邊的位置而不是在端部，它們的軸不在同一直線上.

(1)實驗器材

鐵芯1束，其余的與第二部份的相同(已證明是否推斥與鐵芯有無無關(guān))

(2)操作和觀察

分別將a,b,c三個圈懸掛于原線圈旁正中間，使它們的軸平行且盡量靠近，接好電路，用按鈕短時接通電路.觀察到懸掛a時，a被推開約3 cm，懸掛b時b被推開約0.5 cm，懸掛c時c被推開約0.8 cm.而且推開的方向都是垂直于軸向外(圖9～11).利用圖12進(jìn)行說明.圖12中副線圈是a，原線圈是L.

圖9 不同軸時用a進(jìn)行實驗

圖10 不同軸時用b進(jìn)行實驗

圖11 不同軸時用c進(jìn)行實驗

圖12

現(xiàn)在利用已判斷出的在a圈中感生電流的方向，再根據(jù)通電螺線管右手定則可判斷出a圈所圍面積內(nèi)的磁感線方向(即感生磁場方向),在圖12(a)中是垂直紙面向里(圖中未畫出)；在圖12(b)中是垂直紙面向外(圖中未畫出).可見在原電流磁場的外磁路中a圈所圍面積內(nèi),兩個磁場的方向也總是相反的.

由以上全部實驗中所觀察到的現(xiàn)象可以得出如下結(jié)論:

(1)目前，教科書表述的楞次定律不能解釋上述種種現(xiàn)象.特別是連續(xù)交變的磁場中，磁通量的變化在閉合導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電流，其感生磁場不是簡單地用“增加”或“減少”去“阻礙”原磁通量的變化，而是根本性的用反方向的感生磁通量變化去反抗原磁通量的變化.原磁通量變化率大時，則反向的感生磁通量變化率也大；反之，前者變化率小時，則后者反向的變化率也小.后者總要削弱前者變化的幅度(但不會完全抵消).

我們還可以大膽地設(shè)想，磁場本有保持不變的性質(zhì).如果在某一區(qū)域磁場發(fā)生如上所述的交變，其中恰有閉合導(dǎo)體產(chǎn)生了感生電流，那么,感生電流的磁場一定要反抗原磁場的變化，使變化幅度減小.

(2)既然兩變化磁場的方向總是相反，因此,它們間的作用總是排斥的，這也表現(xiàn)出在作用力方面的反抗性.如果質(zhì)量較小的副線圈是自由可動的，它還會被推斥遠(yuǎn)離變化源，正如我們在上述實驗中觀察到的那樣.

這些就是實驗給我的啟示.它所提示的規(guī)律應(yīng)當(dāng)用于實際的技術(shù)中，例如，三相感應(yīng)直線電動機(jī)和磁懸浮列車的技術(shù)中，也許還可能應(yīng)用于火箭初始的冷發(fā)射，以解決發(fā)射初期向地面噴火的問題.