《電磁感應》演示實驗設計
——手搖手電筒的制作

吳瓊煙（福建莆田秀嶼區莆田第十中學，福建莆田　351146）

《電磁感應》演示實驗設計
——手搖手電筒的制作

吳瓊煙
（福建莆田秀嶼區莆田第十中學，福建莆田351146）

傳統的電磁感應演示實驗，學生不易仿制。本文介紹一款適合自己動手制作的手遙手電筒電磁感應實驗，課堂教學演示效果良好，學生易于自制，激發興趣。

電磁感應手搖手電簡磁鐵線圈

曾經有人建議我們使用“手搖手電簡”作為“電磁感應”這節課的教師演示實驗。我們反復論證，認為這個實驗是行之有效的。本文考慮使用一些直觀的、切合實際生活中應用的、易于制作的實驗方案。

“手搖手電簡”是什么呢？讓我們先看看網絡上這樣的一段產品廣告吧：“產品環保設計，永遠不需電池，不需更換燈泡，用LED作為發光器件，具有長壽命、高亮度的優點。整體完全密封，不但防水，而且還可漂浮在水面。利用法拉第原理中的電磁力學說，將機械能轉為電能，不但節約能源，而且也沒有更換電池及電池廢棄了……”我想，您大概部分的理解了它的原理，那么更具體的設計原理及實驗方案又是怎樣的呢？在本文中，將闡述“手搖手電簡”演示實驗的制作過程、教學實踐過程（詳見參考資料中），作為一個案例展示給讀者。

一、電原理圖：

本電路的基本原理與法拉第的電磁學說有關，關于這個學說的論述并不是本文所要討論的。但值得我們注意的是，圖中磁鐵在線圈中運動，將造成線圈環路磁通變化，進而產生感應電流。電路中還應用了一些現代電子器件，把感應電流轉為光。其中電容C為貯能元件，R為限流電阻，D1起到整流作用，D2為發光二極管。

當磁鐵插入線圈，線圈將產生感應電動勢。感應電動勢的方向與線圈的纏繞方向、磁鐵的運動方向、磁鐵的南北極朝向等因素有關。當磁鐵在線圈中上下運動，線圈的磁通量發生變化，在線圈中將產生交變電動勢，也就是說，我們從線圈兩端得到的電壓是交流電壓。例如，我們可能得到這樣的結果：磁鐵插入時，線圈AB兩端電壓差為正，取出時，AB兩端電壓差為負。

二、電路設計

圖中的電容C是貯能元件。比較理想的一種方案是，選擇一個法拉電容。什么是法拉電容呢？是指容量很大的電容，標稱容量可以達到幾個法拉甚至更多。雖然法拉電容成本不高，但由于民用領域不常用，所以我們不易取得這種電容，我們必須考慮使用其它元件代換它。通常，幾千微法的電容是很常用的，我們可以選用一個或數個千微法電容并聯，取代法拉電容。

當我們選用節能型負截時，比如，選用高效節能的LED發光二極管，只需0.5毫安以下的電流，即可驅動它，使它發出較強的光，以至于全班同學能夠清晰的看到它所發出的光線。當電容充電后，閉合K，電容開始對D2放電，D2開始發光，我們做個假設，放電時電流恒定不變，那么，當C的電壓下降了1伏特，需要多少時間呢？設電容的容量為C=2200uF，放電電流I=1mA，那么所需的放電時間t：

計算表明，C兩端電壓每下降1v，耗時2.2秒左右。在這么長的時間內，基本可感覺到電容的“貯能效果”，如果必要，可使用多個電容并聯，則效果非常明顯。

C應選用漏電電流小的，如果漏電電流很大，那么在充電過程中，C上的電荷就已經漏光光，那就別想驅動LED了。如何判別C的漏電的大小呢？這里介紹一種方法：使用機械式萬用表，拔到1歐檔，用萬用表的兩個表筆（務必注意，黑表筆為正，它應接到電容的正極）對電容充電，此時表針向右擺動后會快速歸零，穩定后，再拔到10歐檔，繼續充電，表針穩定后，再拔到1千歐檔，再充電，過一段時間后，看表針是否接近為零，此時表針的電流讀數就是1.5V電壓下電容的漏電流。值得注意的是，換檔過程中無須將表筆短路調零，另外，用歐姆檔是可以讀出電流的，讀法是，先估計表的內阻r（約為指針居中是的電阻讀數），那么表針偏轉到滿量程時的電流約為1.5/r。通常選取耐溫105攝氏度、耐壓35V的正品2200uF鋁電解電容，1.5V時的漏電流幾乎為零。另外，不要試圖一次性使用1千歐檔測出大電解電容的漏電電流，因為1千歐檔充電速度太慢，幾十分鐘時間內無法對電容充滿電。

正如前面所述，AB兩端的電壓是交流電壓。如果直接把AB輸出的交流電直接接在電容C上，那么，因電容具有“通交流阻直流”的作用，C對交流電產生“短路”效果，也就是說，當AB兩端電壓為正時，線圈對電容正向充電，當AB兩端電壓為負時，線圈對電容反向充電，在一個周期后，正向與反向充電相互底消，幾乎等于沒有充電，電壓無法持續積累，電容C兩端的電壓幾乎為零，能量全部被線圈的內阻損耗。為了解決這個問題，在電路中串聯了一個二極管D1，使得線圈總是對電容C進行單方向充電，促使電容兩端的電壓升高。這種串聯二極管的方法常被人們稱為半波整流，它可把交流電變為直流電，電路簡單，不過效率較低。我們可以考慮使用全波整流，效率可提高接近一倍，但考慮到全波整流電路使用四個二極管，電路變得比較復雜，學生不易接受，所以我們最終選擇簡單的半波整流。圖中的二極管D1可選取遍地開花的1N4148開關二極管或其它專用的整流二極管（如1N4001、1N4004、1N4007），只要是現代的二極管，用在這個電路中，基本上都沒有問題，當然最好不要使用上世紀六七十年代的2AP9之類的管子。

D2是高亮度的LED發光二極管。LED具有發光效率高的特點，發光效率高達95%，而普通的白熾燈只有10%以下。隨著技術的成熟，LED將大面積取代普通燈具。接下來讓粗略的研究一下LED的特性。LED的伏安特性與普通白熾燈炮的伏安特性是完全不同的：

從圖中，我們看到，LED燈有個臨界導通電壓（不同類型的LED燈的臨界導通電壓略有不同），當電壓達到3V以后，LED燈幾乎是突然導通的，微變電阻非常小，在電壓達3V以后，電壓只要有微小的變化，電流將發生巨大的變化。正因如此，如果把LED燈直接連接在電容C的兩端，將造成容器兩端的電壓無法繼續上升，只會保持在3V多一點，如果再升高，LED則強烈導通，電容上的電壓迅速下降，最終導至電容器的貯能效果沒有表現出來。為此，我們不得不在電路中加入一個限流電阻，以提高電容的貯能，并限制電流，延長放電時間。當然，這種做法將造成大量能量損耗在電阻上，白白浪費了，實際電路工程設計中是不允許這么做的，通常會考慮使用更加復雜的電路來解決這個問題，但這已超出本文的范圍，這里力求簡單、直觀、注重課堂使用的實效，所以只用一個電阻簡單限流。

另外應注意，LED燈的兩個引腳有正負極之分，如果接反了，燈不亮，也沒有電流通過，如果這時電壓很高，可能造成LED燈反向擊穿。

線圈的設計：

線圈的設計的主要困難是匝數問題。當磁鐵的磁性不強時，所需的匝數比較多。在我們現有的實驗室配備的電磁感應相關的儀器中，可以找到一些線圈，但大多數線圈因其匝數不夠，產生的感應電動勢不足以驅動LED燈，一般要求5000匝以上。由于LED的正向壓降約為3V左右，D1的正向壓降為0.65伏左右，所以所需電動勢應在3.7V以上。為了避免制作失敗，安裝前，可將機械萬表2.5伏直流檔接在線圈上，將磁鐵插入，觀察針的偏轉情況，估測感應電動勢，如果最大讀數可達1伏，那么，感應電動勢的峰值就會有幾個伏特。磁鐵插入時不要太快，如果太快，峰電壓很高，時間短，但由于指針慣性大，不能馬上偏轉，讀數反而很小。如果有條件，可使用SR8等支持慢掃描的示波器，觀察線圈的輸出的電壓波形，即可知道輸出的準確峰值電壓。

有個比較省事的方法，找個小型的交流接觸器，取出其中的線圈。這個線圈有7至10千匝，可滿足本實驗要求。假如你沒有見過交流接觸器，可向學校的電工咨詢一下。

由于線圈內阻達數千歐，所以它對電容充電的過程經比較慢的，電容器上的電壓從0升到3伏需要一段時間，這段時間可能需要幾十秒。

磁鐵的選擇：建議使用實驗室的小型U形磁，效果比較好。

制作過程：

找塊有機玻離板（選用專用電路板或木板或硬紙板等也可以），把元件固定在上面，用導線連接上即可，有條件的可采取錫焊。其中線圈不要固定在玻離板上，應使用導線連接到外面，以方便操作。當你理解以上原理及制作過程，并準備好材料，僅需花費1小時以內的時間即可制作成功。最后再次強調，在連接電路前，請使用你手頭上的儀表仔細檢查，看看你所選用的元件是否符合上述的要求，如果你是從來沒有電路設計及制作的經驗，這一點就顯得非常重要，不然，當LED不亮時，你將沒有足夠的理論知識及經驗去解決問題，造成制作失敗。