一種交直流發電機原理全面解釋示教裝置

劉紹家

研究背景

中學物理課中，交直流發電機工作原理是一項重要內容，但學生對交流發電機和直流發電機的構造和原理理解困難，尤其對電流方向改變的規律理解困難。只能聽老師口述，憑自己想象理解，不能形成感性認識，因而教學效果平平。

如能設計出線圈在磁場中作切割磁感線轉動時，學生能用肉眼直接觀察到線圈上產生了電流、線圈上電流的方向和輸出的電流方向隨線圈轉動而改變，就很容易掌握交直流發電機的原理和電流方向改變的規律，從而收到事半功倍的教學效果。

示教裝置的組成與結構

目前教師在講解交直流發電機的原理時，電流及電流方向的變化學生看不見摸不著，只能聽老師講授，憑自己想象理解，不能形成感性認識。本發明就是為這一不足而提供的一種交直流發電機原理全面解釋示教裝置。演示裝置只是起演示的作用，本身不產生電流。

裝置結構見圖l，裝置實物見圖2。

如圖1所示，示教裝置包括絕緣基板l、演示裝置2、內隱裝置4，絕緣基板l上設有演示裝置2，演示裝置右側設有內隱裝置4。

演示裝置2包括第一支架21、第二支架22、第三支架23、轉軸24、銅滑環25、換向器251、線圈26、磁鐵27、電刷28、小金屬滑環29、接線柱30。轉軸從第一支架、第二支架、第三支架上方穿過，轉軸的右端連有一搖柄31，第一支架的右側轉軸上設有一銅滑環和換向器，換向器和銅滑環右側連有一線圈，線圈分別安裝有兩條相反的可視線，即第一線圈電流可視線261與第二線圈電流可視線262。第一支架設有2個接線柱30，其上套有小金屬滑環，小金屬滑環上設有電刷，電刷分別與銅滑環或換向器接觸；在第一支架左側設有一燈泡32，燈泡與第一燈泡電流可視線321、第二燈泡電流可視線322、第三燈泡電流可視線323相連。3條燈泡電流可視線分別與燈泡火線接線柱與燈泡零線接線柱相連，第一支架上的2個接線柱分別通過絕緣線與燈泡火線接線柱與燈泡零線接線柱相連，演示裝置只是起演示的作用，本身不產生電流。

內隱裝置4的主要構件為電流換向器41，它包括線圈供電換向器42和燈泡供電換向器43。

線圈供電換向器42為圓柱形，位于線圈26右側套合在轉軸24上，線圈供電換向器側壁上設有2條豎形的金屬觸片，它對面的側壁上也設有2條豎形的金屬觸片，金屬觸片之間相互絕緣，2條豎形的金屬觸片下方設有2個線圈供電電刷421，2個線圈供電電刷分別與外接的220V市電的火線、零線相連，線圈上的第一線圈電流可視線分別與2條豎形的金屬觸片相連，第二線圈電流可視線分別與對面的2條豎形的金屬觸片相連，外接的220V電源可以給第一線圈電流可視線和第二線圈電流可視線分別供電。這樣，演示時就可以看見可視線中電流的方向。

燈泡供電換向器43為圓柱形，位于第二支架22及第三支架23之間，燈泡供電換向器43左端的側壁上設有第一金屬觸片431，第一金屬觸片下方設有2個第一燈泡供電刷，2個第一燈泡供電刷串聯在外接的220V電源火線上并與第一燈泡電流可視線321電連接；第二金屬觸片432位于燈泡供電換向器43背面與第一金屬觸片錯開，第二金屬觸片側面設有2個第二燈泡供電刷，2個第二燈泡供電刷串聯在外接的220V電源火線上并與第二燈泡電流可視線322電連接。第三金屬觸片433位于第二金屬觸片右側，第三金屬觸片是正反面對應的2塊金屬片，它的下方設有2個第三燈泡供電刷，2個第三燈泡供電刷串聯在外接的220V電源火線上并與第三燈泡電流可視線323電連接。

裝置的具體工作過程

演示交流發電狀態時，將第一支架21上的電刷28移至與兩個銅滑環25接觸。接通電源后，搖動搖柄31，第一線圈電流可視線261點亮，可以看見線圈內電流的方向，外接電源通過第一金屬觸片431將第一燈泡電流可視線321接通，同時，燈泡32點亮，第一燈泡電流可視線321點亮，可以看見其內的電流方向，繼續搖動搖柄使得線圈與磁鐵垂直時，線圈中電流可視線熄滅，燈泡32熄滅，說明此時沒有電流產生。繼續向同一方向搖動搖柄旋轉，第二線圈電流可視線262點亮，可以看見線圈內電流的方向與之前相反，外接電源通過第二金屬觸片432將第二燈泡電流可視線322接通，燈泡32點亮，第二燈泡電流可視線322點亮，可以看出第二燈泡電流可視線內的電流方向與之前的方向相反。

演示直流發電狀態時，將第一支架21上的電刷28移至與換向器251接觸。關閉第一燈泡供電刷及第二燈泡供電刷的電源，打開第三燈泡供電刷的電源，搖動搖柄，可以看到線圈中電流的方向始終一致，第三燈泡電流可視線323點亮，燈泡與可視線的電流方向總是只朝一個方向流動。

裝置的優越性

本發明的優越性在于：線圈在磁場中作切割磁感線轉動時，借助裝置中的可視線，學生可以用肉眼直接觀察到線圈上產生了電流，可以觀察到線圈上電流的方向和輸出的電流方向隨線圈轉動而改變，因此更容易掌握交直流發電機的原理和電流方向改變的規律，從而更好地激發學生學習興趣，使教學效果更好，效率更高。

該項目獲得第30屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果科技發明類一等獎。

專家評語

這個發明很有創新思想，讓觀察者可以明顯看到發電機產生的電流的流向，實在是一件非常好的示教設備。