對金屬管式楞次定律演示器的兩種改進方案

摘 要：對傳統金屬管式楞次定律演示器提出兩種改進方案，自制兩套實驗器材，可以方便地演示渦流、電磁阻尼、電磁驅動等多種電磁感應現象，實驗效果直觀明顯，實驗功能更加齊全.

關鍵詞：自制教具;渦流;楞次定律;電磁阻尼;電磁驅動

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）03-0050-02

作者簡介：徐婷婷（1991-），女，浙江臺州人，本科，中學二級教師，研究方向：高中物理學科教學.

傳統的金屬管式楞次定律演示器由圓柱體磁鐵和鋁管組成.在實驗過程中，讓磁鐵從鋁管的內部豎直下落，可以發現磁鐵下落緩慢，從而說明楞次定律中的“阻礙”作用.但是在演示實驗的過程中，學生無法觀察到磁鐵在鋁管內的運動情況，降低了實驗的可信度.

筆者對傳統實驗進行改造和創新，提出兩種改進方案：方案一，將磁環套在金屬管外下滑，并選用不同種類和規格的材料進行對比實驗，能夠說明渦流大小的影響因素[1];方案二，在塑料管內裝入磁鐵，將金屬環套在管子的外部，可以非常方便地演示電磁阻尼、電磁驅動等多種電磁感應實驗.

1 改進方案一

傳統實驗中磁鐵塊在鋁管的內部下落，不易觀察磁鐵塊的運動情況.本實驗將磁環套在實驗管子的外部，將磁環從管口相同高度同時釋放，可以直觀地看到磁環的下落情況.

1.1 對比銅管和塑料管

選用管壁厚度相同的銅管和塑料管進行對比實驗，可以觀察到磁環在塑料管外運動很快，在銅管外運動較慢，如圖1所示.另外，也可以讓學生親身體驗這個實驗，用手拉動磁環在銅管外上下移動，可以明顯地感受到這種“阻礙”作用.實驗現象可以證明，在金屬導體中能夠形成渦電流，從而對磁環產生阻礙作用，而在絕緣體中不會存在這種現象.

1.2 銅管和塑料管連接

如圖2所示，將銅管和塑料管連接在一起，形成一根上下材質不同的長管.在實驗的過程中，讓塑料管在上銅管在下，可以觀察到磁環在塑料管上下落速度較快，在進入銅管外部后忽然“剎車”速度減慢.也可以將管子倒過來，讓銅管在上塑料管在下，實驗現象同樣非常明顯.另外，也可以在拼接的長管外面包上一層白紙，教師進行演示實驗時，學生并不知道內部材質的變化.此時讓磁環沿著管子下落，速度的突變可以很好地激發學生的好奇心和學習興趣.

1.3 對比銅管、鋁管、不銹鋼管

選用管壁厚度相同的銅管、鋁管、不銹鋼管進行對比實驗.先對比銅管和鋁管，可以觀察到磁環在鋁管外運動較快，在銅管外運動較慢，如圖3（a）所示.再對比鋁管和不銹鋼管，可以觀察到磁環在不銹鋼管外運動較快，在鋁管外運動較慢，如圖3（b）所示.

通過兩組對比實驗，可以總結出磁環的運動速度：銅管最慢、鋁管次之、不銹鋼管最快.以上實驗現象可以說明磁環下落過程中形成渦流的大小與金屬材料的電阻率有關，已知鐵的電阻率（不銹鋼可以參考鐵）9.78×10-8 Ω/m、鋁2.83×10-8 Ω/m、銅1.75×10-8 Ω/m[2].由于電阻率不同，三根金屬管的電阻大小不同，產生渦流的大小不同，渦流產生的磁場大小也不同，因此渦流磁場對磁環的作用力大小也會不同.這樣可以解釋為什么變壓器的鐵芯材料常用的是硅鋼.從電阻率的角度來說，因為硅鋼的電阻率較大，形成的渦流損失小.

1.4 對比不同厚度的銅管

選用管壁厚度不同的銅管進行對比實驗，可以觀察到磁環在薄銅管外運動較快，在厚銅管外運動較慢，如圖4所示.該實驗現象可以說明渦流的大小與金屬材料的厚度有關.

2 改進方案二

在上述的方案一中，我們將磁鐵環套在金屬管的外部進行實驗，因此筆者進行對稱性的思考：將金屬環套在磁鐵的外面進行實驗會不會有類似的效果呢？于是設計了改進方案二：如圖5所示，在透明塑料管內裝入圓柱形磁鐵，相鄰的兩塊磁鐵同名磁極相對，因為斥力的存在，磁鐵間會保持一定的間距.將鋁環套在管子的外部，讓鋁環沿著塑料管下滑，觀察鋁環的運動情況.

2.1 對比閉合鋁環和開口鋁環

如圖6所示，準備兩個厚度相同的鋁環，一個是閉合鋁環，另一個是開口鋁環.讓兩個鋁環分別在裝有磁鐵的塑料管外部下滑.對比兩個鋁環的運動情況，可以觀察到閉合鋁環下落較慢，而開口鋁環下落明顯更快.這就說明了在閉合導體中渦流現象更加明顯.那么在開口鋁環中是不是沒有渦流呢？取一段未裝磁鐵的塑料管進行對比實驗，可以發現當開口鋁環在磁鐵外部運動時渦流較小但是依然存在.

2.2 鋁環對磁鐵的“電磁驅動”

仔細觀察上述實驗過程，還會發現一個有趣的現象.在鋁環穿過磁鐵的過程中，觀察磁鐵的運動情況，發現磁鐵會隨著鋁環一起運動，即鋁環下滑時，磁鐵會向下運動;用手拉動鋁環向上運動時，磁鐵也會跟著向上運動.若將裝有磁鐵的塑料管水平放置，這種帶動現象會更加明顯，可以用來演示“電磁驅動”現象.

2.3 磁鐵對鋁環的“來拒去留”

如圖7所示，對比兩種不同的磁鐵排布方式，圖7（a）是磁鐵間隔排布，圖7（b）是將這些磁鐵吸合成一整塊大的磁鐵.哪種情況下磁鐵對鋁環的阻礙效果會更明顯呢？通過對比實驗可以發現還是間隔排列的磁鐵可以起到更明顯、更持續的阻礙作用.因為其實這種阻礙只會發生在磁通量發生變化的時候，即鋁環靠近和遠離磁鐵的時候.為了證明這一點可以將塑料管傾斜放置[3]，減慢鋁環的下滑速度，如圖8所示.仔細觀察鋁環的運動過程，可以發現當鋁環到達圖8中所示的A點和B點附近，會有兩次比較明顯的卡頓現象，可以用來演示楞次定律中的“來拒去留”.

2.4 磁鐵對鋁環的“電磁驅動”

在電磁驅動實驗中，我們通過鋁環的運動來帶動磁鐵運動.那么能不能通過磁鐵的運動來帶動鋁環運動呢？如圖9所示，筆者將磁鐵與一根硬質塑料吸管組合在一起，通過拉動塑料吸管讓磁鐵左右運動.如圖10所示，可以看到套在塑料管外的鋁環也跟著左右運動，這個實驗也可以用來演示“電磁驅動”.

參考文獻：

[1]徐婷婷.一款渦流電磁阻尼演示儀的自制與創新[J].中學物理，2019，37（21）：48-49.

[2]張強，黃凱特.超導楞次定律實驗裝置[J].物理實驗，2014 （10）：12-14.

[3]劉小洪，文雯.談電磁感應中“來拒去留”的實驗教學方法[J].物理教學，2020 （01）：24-26.

（收稿日期：2020-10-23）