跳環(huán)實(shí)驗(yàn)對改進(jìn)電梯緩沖器的探究與分析

王文蓮

（山西大同大學(xué)，山西 大同 037039）

跳環(huán)實(shí)驗(yàn)對改進(jìn)電梯緩沖器的探究與分析

王文蓮

（山西大同大學(xué)，山西 大同 037039）

跳環(huán)實(shí)驗(yàn)是電磁感應(yīng)方面的演示實(shí)驗(yàn)。在一般情況下，互感原理是跳環(huán)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，然而互感對于跳環(huán)實(shí)驗(yàn)中當(dāng)電壓調(diào)節(jié)到一定值時(shí)，鋁環(huán)可以長時(shí)間懸浮在一定位置這一現(xiàn)象并不能給予合理的解釋。文章對跳環(huán)實(shí)驗(yàn)過程結(jié)果做了詳細(xì)的分析，探究了該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理，并把該原理運(yùn)用于改進(jìn)電梯的緩沖器上。

電磁感應(yīng)；跳環(huán)實(shí)驗(yàn)；螺線管；鋁環(huán)；電梯；緩沖器

一、引言

“跳環(huán)實(shí)驗(yàn)”常用來解釋電磁感應(yīng)現(xiàn)象，把一個(gè)軟鐵棒插入一空著的密繞螺線管中，然后把鋁環(huán)套在軟鐵棒上，當(dāng)打開交流電源開關(guān)后，螺線管通電，原本靜止套在軟鐵棒上的鋁環(huán)會(huì)向上跳起，除此之外，如果調(diào)整電壓到一特殊值，鋁環(huán)還會(huì)保持一定時(shí)間懸浮在螺線管上方某一位置。需要注意的是，通電時(shí)間如果超過30秒，就可能會(huì)燒壞螺線管[1]。當(dāng)我們把兩個(gè)相同的鋁環(huán)套在軟鐵棒上后，打開交流電源開關(guān)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)鋁環(huán)竟然都跳起，并離開了鐵棒。由此可知，在這兩次實(shí)驗(yàn)中作用在鋁環(huán)和螺線管之間的作用力都是排斥力，怎樣解釋接通交變電流就可以產(chǎn)生一個(gè)始終是斥力的效應(yīng)呢？以及如何解釋為什么兩個(gè)鋁環(huán)疊在一起時(shí)跳起的高度卻比一個(gè)鋁環(huán)跳起的高呢？

二、跳環(huán)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)原理

電磁感應(yīng)：閉合導(dǎo)體放入電場中，隨著穿過導(dǎo)體的磁通量的變化，線圈中會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的電流。

法拉第電磁感應(yīng)定律：通過線圈的磁通量變化地越快，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢ε越高，即。對于導(dǎo)體回路為多匝線圈，可定義全磁通：

楞次定律：閉合導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)產(chǎn)生磁場，這磁場的方向總是與引起感應(yīng)電流的磁通量的變化的方向相反[2]。

安培定律：通電導(dǎo)線在變化的磁場中會(huì)受到力的作用，滿足F=IBL[3]。

麥克斯韋渦旋電場理論：磁場隨時(shí)間變化，會(huì)在周圍產(chǎn)生電場，其環(huán)流值并不為零，其值等于感應(yīng)電動(dòng)勢，即

2.實(shí)驗(yàn)器材

一對完全一樣的閉合的鋁環(huán)（a環(huán)）、鉆有多個(gè)窟窿的閉合的鋁環(huán)（b環(huán)）、不閉合的鋁環(huán)（c環(huán)）、閉合的塑料環(huán)（d環(huán)）、一個(gè)比a環(huán)大一圈的鋁環(huán)（e環(huán)），一個(gè)帶有一個(gè)小燈泡的線圈、橡皮泥、直尺[4]。

3.實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)1：將1個(gè)閉合的鋁環(huán)（a環(huán)）、鉆有多個(gè)窟窿的鋁環(huán)（b環(huán)）、不閉合的鋁環(huán)（c環(huán)）和閉合塑料環(huán)（d環(huán)）依次套在電磁跳環(huán)演示儀的鐵棒上，打開電源開關(guān)，并觀察跳環(huán)運(yùn)動(dòng)情況。

現(xiàn)象：a環(huán)和b環(huán)都會(huì)向上跳起，c環(huán)和d環(huán)保持原狀。

實(shí)驗(yàn)2：首先把1個(gè)a環(huán)放入電磁感應(yīng)跳環(huán)演示儀的鐵棒上，打開電源開關(guān)，會(huì)看到a環(huán)跳起，等a環(huán)穩(wěn)定懸浮在半空中時(shí)，再把大鋁環(huán)（e環(huán)）慢慢地套入演示儀的軟鐵棒中，使e環(huán)與穩(wěn)定的a環(huán)處在同一平面（近似），然后拿著e環(huán)輕輕地向上或向下移動(dòng)，并仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)中鋁環(huán)的變化。

現(xiàn)象：a環(huán)總是隨著e環(huán)向上或向下運(yùn)動(dòng)[5]。

實(shí)驗(yàn)3：首先在電磁跳環(huán)演示儀的鐵棒上慢慢地放進(jìn)1個(gè)a環(huán)，打開電源開關(guān)后，可以看到a環(huán)向上移動(dòng)，等a環(huán)近似靜止在鐵棒上時(shí)，再輕輕把另一個(gè)a環(huán)套入演示儀的鐵棒上，逐漸靠近懸浮在鐵棒上的a環(huán)，觀察鋁環(huán)的運(yùn)動(dòng)情況。

現(xiàn)象：當(dāng)兩環(huán)的距離越來越近的時(shí)候，原來的a環(huán)會(huì)猛然向上跳動(dòng)，而后兩環(huán)就會(huì)疊和。

實(shí)驗(yàn)4：把連接著一個(gè)小燈泡的線圈放入電磁感應(yīng)跳環(huán)演示儀中，打開電源開關(guān)，觀察小燈泡的情況。

現(xiàn)象：小燈泡發(fā)光。

實(shí)驗(yàn)5：分別將a環(huán)與b環(huán)放入電磁感應(yīng)跳環(huán)演示儀中，（a環(huán)是閉合的鋁環(huán)，b環(huán)是鉆有多個(gè)窟窿的鋁環(huán)），打開電源開關(guān)，兩個(gè)小鋁環(huán)都向上跳起，a環(huán)到達(dá)的最大高度為，b環(huán)到達(dá)的最大高度為，比較、的大小。現(xiàn)象：h1>h2[6]。

4.實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)1分析：因?yàn)閍環(huán)和b環(huán)是閉合的鋁環(huán)（鋁質(zhì)材料為導(dǎo)體），當(dāng)打開電源開關(guān)時(shí)，螺線圈通電，通電螺線管一剎那會(huì)在周圍空間產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)磁場，導(dǎo)致通過鋁環(huán)的磁通量值瞬時(shí)增大，根據(jù)電磁感應(yīng)定律以及楞次定律，鋁環(huán)將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流來激發(fā)相對于通電螺線圈激發(fā)磁場相反的磁場來“抵抗”穿過鋁環(huán)磁通量值的增加，根據(jù)安培定律可以判斷出鋁環(huán)受到的是向上的安培力作用（鋁環(huán)所受安培力與鋁環(huán)自身重力方向相反并遠(yuǎn)大于重力），所以在通電后鋁環(huán)會(huì)向上跳。對于c環(huán)，雖然也是鋁環(huán)，但c環(huán)不是封閉的，形不成閉合導(dǎo)體回路，所以無法產(chǎn)生感應(yīng)電流，因此不會(huì)受到任何方向的安培力，且c環(huán)受到重力的作用仍靜止不動(dòng)在原地。d環(huán)是塑料環(huán)不是導(dǎo)體，不可導(dǎo)電，即無法產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以不受到安培力，仍靜止在原地[7]。

實(shí)驗(yàn)2分析：當(dāng)e環(huán)放入演示儀的軟鐵棒并移動(dòng)時(shí)，e環(huán)由于電磁感應(yīng)在自身形成閉合環(huán)路并產(chǎn)生感應(yīng)電流，這感應(yīng)電流又激發(fā)了磁場，在e環(huán)越來越靠近a環(huán)時(shí)，感應(yīng)電流激發(fā)出來的磁場又會(huì)對a環(huán)產(chǎn)生影響。由楞次定律和安培定律可知，當(dāng)e環(huán)在演示儀上上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場又會(huì)影響a環(huán)的磁通量。很顯然，當(dāng)e環(huán)向a環(huán)移動(dòng)時(shí)，穿過a環(huán)的磁通量會(huì)增加，a環(huán)會(huì)沿e環(huán)移動(dòng)的同方向移動(dòng)，當(dāng)e環(huán)遠(yuǎn)離a環(huán)時(shí)，同理，穿過a環(huán)的磁通量會(huì)減小，所以a環(huán)會(huì)追著e環(huán)移動(dòng)，總之a(chǎn)環(huán)會(huì)隨著e環(huán)一起向上（或向下）運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)3分析：通電螺線圈的電流是交變電流，因而會(huì)產(chǎn)生變化的磁場，放入電磁感應(yīng)跳環(huán)演示儀后會(huì)產(chǎn)生渦旋電場，把兩個(gè)a環(huán)都放入時(shí)，它們都會(huì)產(chǎn)生渦旋電場，從而會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，其方向相同。根據(jù)安培定律可知，電流方向相同的兩根導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生吸引力，同理兩個(gè)小鋁環(huán)會(huì)產(chǎn)生引力，在兩個(gè)鋁環(huán)距離很近的時(shí)候，兩鋁環(huán)之間會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)大于自身重力的吸引力，所以會(huì)看到原來的a環(huán)向上跳，兩個(gè)鋁環(huán)最終會(huì)疊在一起[8]。

實(shí)驗(yàn)4分析：根據(jù)麥克斯韋的渦旋電場理論，通電螺線管的線圈接交流電，通電螺線管在周圍空間會(huì)產(chǎn)生磁場，而這磁場又會(huì)感應(yīng)出電場，當(dāng)連接著小燈泡的線圈放入這一磁場時(shí)（穿過線圈的磁通量矢量和不可為0），線圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以小燈泡發(fā)光。實(shí)驗(yàn)5分析：解釋1：根據(jù)麥克斯韋的渦旋電場理論，電磁感應(yīng)跳環(huán)演示儀通電后，通電螺線管會(huì)產(chǎn)生磁場，而這種磁場是變化的并會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電場。因?yàn)閎環(huán)鉆有許多小孔阻礙了渦旋電流的形成，而a環(huán)沒有小孔，所以可以形成許多渦旋電流，所以a環(huán)的渦旋電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于b環(huán)，再根據(jù)安培定律可以得知，a環(huán)受到的安培斥力比b環(huán)的斥力要大，因此a環(huán)跳的高度比b環(huán)要大，即h1>h2[9]。

再根據(jù)安培定律就可以得出a環(huán)受到的安培斥力比b環(huán)受到的安培斥力大，因此a環(huán)跳的最大高度大于b環(huán)，即h1>h2。

三、引伸實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)過程

將兩個(gè)閉合的鋁環(huán)（a環(huán)）都在環(huán)身粘一圈橡皮泥（只在環(huán)的下表面粘上），使橡皮泥突出鋁環(huán)一定的高度，橡皮泥質(zhì)量大約為鋁環(huán)的2倍，兩塊橡皮泥一樣重，并使橡皮泥粘在環(huán)上的位置也相同。測量橡皮泥的高度。

（1）在電磁演示儀開關(guān)還未打開時(shí)，拿一個(gè)粘好的鋁環(huán)從電磁演示儀的鐵棒頂端輕輕放下（有橡皮泥的一面朝下），觀察鋁環(huán)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并待落到底部后小心拿起鋁環(huán)測量橡皮泥的高度。

（2）先打開電磁演示儀電源開關(guān)，同上，拿另一個(gè)粘好的鋁環(huán)從電磁演示儀的鐵棒頂端輕輕放下（有橡皮泥的一面朝下），觀察鋁環(huán)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并待落到底部后小心拿起測量橡皮泥的高度。

現(xiàn)象：橡皮泥的初始高度是1cm，實(shí)驗(yàn)中鋁環(huán)快速落下，橡皮泥高度約為0.8cm；實(shí)驗(yàn)中鋁環(huán)以較慢速度下降，橡皮泥高度約為0.9cm。

2.實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)分析：電磁演示儀打開后，在周圍空間產(chǎn)生了感應(yīng)磁場，鋁環(huán)受到磁場的影響產(chǎn)生了感應(yīng)電流，因此受到了向上的安培力，下降會(huì)比沒有磁場時(shí)慢，而且根據(jù)橡皮泥的形變，可以看出有磁場的情況下，會(huì)減輕與底座的撞擊[11]。

四、跳環(huán)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

近幾年內(nèi)，電梯事故頻頻發(fā)生，讓人心有恐懼。雖然大家對電梯安全知識(shí)和各種注意事項(xiàng)了解的越來越多，但電梯慘劇還是不可避免。

電梯一般常用的安全裝置是限速器、安全鉗、緩沖器、光幕與安全觸板。在這些裝置里緩沖器的作用是減少震動(dòng)，減輕對轎廂和在內(nèi)的人與物的損害。是我們研究的主要對象。緩沖器一般使用液壓緩沖器，液壓緩沖器的組成部分分別為柱塞、液壓缸、還有起復(fù)位作用的彈簧。在柱塞的上方有圓環(huán)形的小孔，可以節(jié)流，柱塞與液壓缸之間注滿油。當(dāng)電梯壓住緩沖器，柱塞會(huì)向下方壓下，從而減小壓縮缸的容積，把油壓到回油孔，在回油孔形成渦流壓縮缸體內(nèi)的油，這樣就可以把電梯對緩沖器的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能[12]，減輕電梯對地面的撞擊，保護(hù)電梯和人的安全。但是液壓緩沖器只在電梯轎身接近地面時(shí)起作用，而從高處下降時(shí)人們從失重狀態(tài)到突然落地后身體機(jī)制無法適應(yīng)，會(huì)傷害到骨骼。

本文利用跳環(huán)實(shí)驗(yàn)原理對緩沖器在高處的緩沖作用進(jìn)行了一些補(bǔ)充和改造。在電梯最底部安裝一個(gè)大型電磁鐵（通電螺線管），電梯的轎廂本身可以看作一個(gè)大大的鋁環(huán)（轎身的頂與底需各留一個(gè)絕緣圈，使轎廂成為一個(gè)真正的大鋁環(huán)，如果轎身都是導(dǎo)體，那么磁通量會(huì)為0）。當(dāng)出現(xiàn)意外，電梯突然墜落時(shí)。打開電源開關(guān)（電源的開關(guān)可用遙控式開關(guān)，安在電梯乘客觸手可及的地方，方便緊急情況使用），電磁鐵接通交變電流后，會(huì)在周圍空間產(chǎn)生磁場，穿過電梯轎身（鋁環(huán)）的磁通量會(huì)急速上升，轎身就會(huì)受到磁場的作用產(chǎn)生感應(yīng)電流來抵抗磁通量的增加，因此會(huì)受到向上的安培力的作用，從而在高處便可以減緩轎身的降落速度。這樣再配合液壓緩沖器在離地面近距離的緩沖，乘客便可以安全降落的地面。

五、結(jié)語

電磁跳環(huán)演示實(shí)驗(yàn)涉及到了包括電磁感應(yīng)原理、法拉第電磁感應(yīng)定律、楞次定律、安培定律、麥克斯韋渦旋電場理論、自感與互感等各種重要的電磁學(xué)基本原理，通過對電磁跳環(huán)演示實(shí)驗(yàn)的分析與探究，讓讀者更清晰地了解了自感在跳環(huán)實(shí)驗(yàn)中起到的作用，對自感有了更深入的了解，提高了對物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，加深了對電磁學(xué)基礎(chǔ)的理解，更好地掌握物理學(xué)理論知識(shí)[13]。此外利用電磁跳環(huán)原理應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活加深了實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)意義，把理論與實(shí)踐相結(jié)合，為電梯目前存在的一些危險(xiǎn)提出了意見，并簡述了對于電梯改造的想法。

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The Exploration and Analysis of Skip Ring Experiment to Improve Elevator's Bumper

Wang Wen-lian
（Datong University,Datong Shanxi 037039，China）

Skip ring experiment（floating ring experiment） is a typical experiment in physical teaching which demonstrates the phenomenon of electromagnetic induction.General explanation of skip ring experiment phenomenon is caused by mutual inductance,but it can't explain the phenomenon properly.When the voltage is regulatored to value,aluminum ring can be suspended in a certain position for a long time.This paper made a detailed introduction to the jump ring experiment and analysis and probed into the experimental principle.And apply this principle to improve elevator's bumper.

skip ring experiment;electromagnetic induction;solenoid;aluminum rim;elevator;buffer

TV857

A

1672-0547（2015)04-0108-03

2015-07-16

王文蓮（1978-),女,山西大同人,山西大同大學(xué)大同師范分校講師,碩士,研究方向：大學(xué)物理教學(xué)和物理課程教學(xué)論。