法拉第電磁轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

施國(guó)富

（信豐中學(xué)，江西信豐341600）

1 引 言

法拉第是杰出的物理學(xué)家和化學(xué)家.他在擔(dān)任戴維的實(shí)驗(yàn)助手期間，設(shè)計(jì)了著名的“電磁轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”，而文獻(xiàn)[1]中只向教師們展示了1幅原理圖，真實(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置尚不可知，即便能復(fù)制真實(shí)的法拉第電磁轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，考慮到水銀的易揮發(fā)性和毒性，也不能把它搬進(jìn)課堂.為此對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)動(dòng)輕便、通電可靠的轉(zhuǎn)子，用銅板制作的銅圓盤代替水銀，用3節(jié)干電池作電源，實(shí)現(xiàn)了“電磁轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”——即單根通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng).

2 電磁轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的制作

改進(jìn)的法拉第電磁轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置見圖1.所用材料為：廢舊的實(shí)驗(yàn)室暗敷塑料槽板1塊（長(zhǎng)18cm，用于制作底座），PVC塑料管1根（長(zhǎng)13cm，直徑25mm），單層敷銅板1塊；正方形釹鐵硼強(qiáng)磁鐵1塊（5cm×5cm×1cm，中間有一直徑1cm的小孔），粗銅導(dǎo)線1根（長(zhǎng)15cm左右，直徑2mm）；漆包線兩段（長(zhǎng)25cm，直徑0.3mm），大號(hào)電池盒3只1.5V，電解電容器2只（25V，3 300μF），導(dǎo)線、薄鐵片若干.

具體的制作方法如下：

圖1 改進(jìn)的電磁轉(zhuǎn)動(dòng)裝置

1）支撐與連接座的制作.在塑料槽板的中心位置用打孔器鉆1個(gè)直徑25mm的圓孔，距中心約4cm的兩側(cè)各鉆直徑4mm的螺絲孔并裝上接線柱.將加工好的PVC水管穿過中心圓孔，豎直放置并用膠水粘牢.剪下1塊6cm×6cm的正方形敷銅板，中心鉆1個(gè)直徑22mm的圓孔，把1根漆包線一端與銅板焊好，銅板的背面粘貼2片小鐵片，正面粘貼1個(gè)內(nèi)空為5cm×5cm的塑料框，框的邊寬約5mm.把加工好的銅板用膠水粘接在PVC管的上端，使其水平，漆包線從管中穿過在管底引出，接在底座的接線柱上.

2）中心導(dǎo)電桿的制作.取10cm長(zhǎng)的粗銅導(dǎo)線，一端打磨成尖尖的圓頭，另一端與1根漆包線焊接，取1個(gè)4號(hào)膠塞，中心鉆孔，銅導(dǎo)線穿過膠塞，圓頭伸出約5cm長(zhǎng).

3）銅圓盤的制作.在敷銅板上裁取1個(gè)直徑12cm的圓盤，用砂輪把盤邊緣打磨好，中心鉆1個(gè)直徑4mm的孔，距中心2cm處再鉆1個(gè)焊接孔.盤的正面粘接內(nèi)徑1cm外徑3cm的鐵片環(huán)，用銅絲制作1個(gè)直徑3cm的環(huán)，留出線頭，把銅環(huán)粘接在銅盤的背面，線頭穿過焊接孔并焊牢.

4）轉(zhuǎn)子的制作.剪一段長(zhǎng)5cm的空水筆芯，距一端2cm處鉆1個(gè)孔，把長(zhǎng)12cm的粗銅導(dǎo)線穿過孔，使筆芯位于導(dǎo)線的中心并與導(dǎo)線垂直，之后把兩導(dǎo)線彎折成與筆芯平行，距孔2cm處再把導(dǎo)線折90°，制成能以筆芯為軸轉(zhuǎn)動(dòng)的直導(dǎo)線.用漆包線繞制一螺旋環(huán)，螺旋環(huán)的上端焊接在銅導(dǎo)線一側(cè)、距中心4cm處，下端刮掉漆.

5）充放電導(dǎo)線的制作.把2只電容器并接焊好，同時(shí)正極焊出2根帶鱷魚夾的紅導(dǎo)線，負(fù)極焊出2根帶鱷魚夾的黃導(dǎo)線，一紅一黃為1組，一組接電源，另一組接在裝置底座的接線柱上.電容器用一段塑料注射器筒封裝.

6）組裝.把中心導(dǎo)電桿從支撐與連接座的塑料管中插入，壓緊，漆包線從管底引出，接在底座的接線柱上.在底座銅板面上，依次放上釹鐵硼磁鐵、銅圓盤，中心導(dǎo)電桿均位于它們的正中心.最后把轉(zhuǎn)子的筆芯套在中心導(dǎo)電桿上.這樣，底座上的一個(gè)接線柱通過中心導(dǎo)電桿連接到轉(zhuǎn)子，另一個(gè)接線柱通過底座銅板、磁鐵、銅環(huán)連接到銅圓盤上，當(dāng)螺旋環(huán)的下端與銅圓盤面接觸時(shí)，電流接通.組裝連接好的實(shí)物見圖2.

圖2 電磁轉(zhuǎn)動(dòng)裝置全圖

3 演示方法

3.1 演示法拉第的電磁轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

用充放電導(dǎo)線的一組接上裝有3節(jié)干電池的電源，紅導(dǎo)線接電源正極，黃導(dǎo)線接負(fù)極.另一組的2根導(dǎo)線接到裝置底座上，2根導(dǎo)線可分別接任意接線柱.此時(shí)可觀察到轉(zhuǎn)子在圓銅盤上轉(zhuǎn)動(dòng).為讓學(xué)生看得更清楚，演示時(shí)教師手持底座，將整個(gè)裝置傾斜，銅盤朝向?qū)W生，傾斜角度可達(dá)45°，轉(zhuǎn)子仍能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng).

3.2 演示或驗(yàn)證左手定則

1）磁鐵N極朝上，讓電流從中心導(dǎo)電桿流出，依據(jù)左手定則，判斷轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針方向.接通電源，觀察實(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)方向.

2）保持磁鐵N極朝上，讓電流從圓銅盤流向中心導(dǎo)電桿，依據(jù)左手定則，判斷轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向.接通電源，觀察實(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)方向.

3）保持電流從中心導(dǎo)電桿流出不變，磁鐵S極朝上，依據(jù)左手定則，判斷轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向.接通電源，觀察實(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)方向.

1）與2）對(duì)比說明安培力的方向與導(dǎo)線中電流的方向有關(guān)，磁場(chǎng)方向相同時(shí)，電流方向相反，受力方向相反；1）與3）對(duì)比說明安培力的方向與磁場(chǎng)的方向有關(guān)，電流方向相同時(shí)，磁場(chǎng)方向相反，受力方向相反.

4 改進(jìn)后的電磁轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)

1）避免了使用水銀，安全環(huán)保.

2）轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)使轉(zhuǎn)子與中心導(dǎo)電桿可靠接觸，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，普通干電池便可使其轉(zhuǎn)動(dòng).

3）充放電連接導(dǎo)線的制作，結(jié)合轉(zhuǎn)子上螺旋環(huán)在通電時(shí)收縮、斷電時(shí)復(fù)原形成時(shí)斷時(shí)通的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)交替充電、放電，可以獲得比直接連接電池時(shí)更大的瞬時(shí)電流.

4）該裝置設(shè)計(jì)合理、外形美觀，便于攜帶，演示操作簡(jiǎn)單，可以方便地改變電流方向、磁場(chǎng)方向，用于演示或驗(yàn)證左手定則.

[1] 人民教育出版社物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·物理（選修3－2）（教師教學(xué)用書）[M].北京：人民教育出版社，2010：47.

[2] 吳迪男，吳祥志.法拉第電磁感應(yīng)定律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀[J].物理實(shí)驗(yàn)，2009，29（10）：20－22.

[3] 張偉，蔡穎標(biāo).基于PASCO平臺(tái)的法拉第磁光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（7）：33－36.

[4] 徐忠岳.多功能向心力測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（7）：29－32，44.