自制電磁鐵通過演示實驗揭示電磁現象的基本規(guī)律

李耀宗　華雪俠　馬 晴

咸陽師范學院物理與電子工程學院　陜西咸陽　712000

自制電磁鐵通過演示實驗揭示電磁現象的基本規(guī)律

李耀宗華雪俠馬 晴

咸陽師范學院物理與電子工程學院陜西咸陽712000

自制了一種電磁鐵，進行了電磁鐵與空心線圈吸力的對比、電磁鐵自感放電、電磁鐵存儲磁能的實驗演示，分析了實驗原理，總結出了相關電磁現象的基本規(guī)律，并提出了可進一步探究的選題。

電磁鐵；安培力；自感；磁能

演示實驗在大學物理教學中有不可替代的重要作用。通過演示實驗，把瞬時、不易分辨、抽象的物理規(guī)律轉化成直觀、清晰、持久的物理圖像或數字信號，可以激發(fā)學生的學習興趣，幫助學生對物理定理、定律等的理解。磁鐵是演示電磁現象的常用器件，但普通磁鐵的磁場較弱，能演示的實驗受到很大限制，而且，普通磁鐵的磁場源于分子電流，無法演示傳導電流的磁場。將一圓柱形鐵磁質（普通鐵棒）插入一用漆包線纏繞一定匝數的線圈內，便可制成一個可產生較強磁場的電磁鐵。借助電磁鐵可演示多種電磁現象，并可使學生了解電磁鐵在機械、電氣等工程領域的廣泛應用［1，2］。

1　線圈有無鐵芯時吸力的對比實驗

1.1電磁鐵的制備

如圖1所示，在焊絲線輪上用0.3 mm的漆包線繞1 500匝左右，連接在接線柱上，制成一個空心線圈。選剛好能插入線輪空心的柱形鐵磁質（普通鐵棒）穿過線圈，使其不易松動，即可得到一個電磁鐵。

1.2實驗演示

給空心線圈串接一個滑線變阻器，并加上12 V左右的直流電壓，移動滑線變阻器抽頭，用小鐵釘檢驗線圈端部的吸力，發(fā)現其幾乎不能吸引鐵釘，說明其磁場很弱。將鐵芯插入線圈，用鋼珠檢驗電磁鐵的吸力，發(fā)現其吸力很強，說明此時磁場很強（如圖1所示）。

圖1　電磁鐵對鐵磁質物體的吸力

1.3分析與結論

圖2　電磁鐵對鐵球吸力原理圖

根據我們在大學物理課程教學中的實踐發(fā)現：通過有無鐵芯時吸力的對比實驗，可幫助學生認識鐵芯對線圈磁性的顯著影響，并且理解磁化電流不僅可產生磁場，還會受到安培力的作用。由于該實驗采用了對比的方法，演示效果明顯，不僅可給出安培力強弱的定性判斷，還可開展進一步的定量研究。

1.4探究與創(chuàng)新

電磁鐵的吸力與電流、距離、鋼珠大小與形狀存在怎樣的關系？將鐵芯換成其他材質圓柱棒會怎樣？兩永久磁鐵吸引與排斥的根源是什么？將直流電源換成交流電源會怎樣？電磁鐵在機械、電氣等工程領域有哪些應用價值？

2　電磁鐵線圈自感放電實驗

2.1實驗演示

將電源電壓選為14 V直流電，電源一個接線柱連接電磁鐵線圈一端引線，線圈另一端與一把木銼相連，用電源另一接線柱的連線線頭在木銼上滑動，可觀察到線頭與木銼接觸的地方產生明亮的電火花［1］（如圖3所示）。作為對比實驗，將電磁鐵換成等值電阻，則不產生電火花。

圖3　電磁鐵自感放電現象

2.2分析與結論

當線頭在木銼上滑動時，電磁鐵線圈與電源構成的回路在連通與斷開之間頻繁轉換，連通后線圈中有電流流過，此時斷開電源，電流迅速減小，穿過線圈的磁通量減小，根據法拉第電磁感應定律，線圈產生感應電動勢，相當于一個電源，且該電源電壓遠高于14 V的電源電壓，該電壓使木銼凸起與線頭之間的空氣隙分子電離，產生感應電流，出現電火花。將電磁鐵線圈換成等值電阻，無電磁感應現象，14 V的電源電壓不能使木銼凸起與線頭之間的空氣隙分子電離，不會產生電火花。

在教學過程中，依據電磁鐵放電時產生了明亮的火花，而將電磁鐵換成等值電阻時，無火花產生的事實，通過對比，使學生認識到，電火花是自感電動勢擊穿空氣間隙形成感應電流的結果，加深了學生對自感現象的認識。

2.3探究與創(chuàng)新

自感現象有什么實際應用？若給電磁鐵鐵芯上再繞一組線圈，一組線圈的電流變化時，另一組線圈能否產生感應電動勢？設計一種電磁阻尼裝置［3］。

3　電磁鐵線圈存儲磁能實驗

3.1實驗演示

按圖4電路連接線路［4］，L為電磁鐵的自感系數，兩電珠參數相同，電源電壓為12 V，使線圈的內阻與電阻R阻值相同。接通電源，發(fā)現電珠2立即亮起而電珠1逐漸亮起來（如圖5所示），最終兩電珠亮度相同。

圖4　電磁鐵磁能演示實驗電路圖

圖5　電磁鐵磁能演示實驗

3.2分析與結論

接通電源時，電磁鐵線圈電流從零開始增加，磁通量也增加，電磁鐵線圈產生的反抗電動勢，阻止其電流的增加，導致電珠1亮起速度慢于電珠2。該過程電源克服反抗電動勢做的功即為電磁鐵線圈存儲的磁能，

在教學過程中，依據接通電源時學生觀察到的電珠2立即亮起而電珠1逐漸亮起來，最終兩電珠亮度相同的實驗事實，通過分析可使學生認識到導致電珠1亮起慢的原因是線圈存儲了一定量的磁能，并可給出線圈存儲磁能的表達式，進一步分析便可給出磁場的能量密度，可使學生認識磁場能量的客觀存在性。

3.3探究與創(chuàng)新

電磁鐵線圈通電時存儲的磁場能量儲存在哪里？將直流電源換成交流電源情況如何？電風扇如何調速？

4　結束語

相對于鐵芯與線圈固定的商品電磁鐵，用文中介紹的自制電磁鐵演示電磁現象有幾個優(yōu)點：一是可消除學生對電磁鐵產生磁場的神秘感；二是通過更換鐵芯可檢驗不同材料的鐵磁性；三是采用對比的方法，效果十分明顯，不僅可給出定性判斷，還可開展進一步的定量研究；四是取材方便、易于制作，對培養(yǎng)學生的動手能力有示范作用。通電線圈的磁場、鐵磁質中的磁場、電磁感應及磁場的能量是大學物理課程教學中磁場部分主要教學內容，也是教學重點，通過上述3個演示實驗，不僅可幫助學生掌握整個磁場部分的基本規(guī)律，還可使學生了解電磁現象在工業(yè)生產及自動控制領域的應用。另外，在對物理學專業(yè)開設的普通物理設計型實驗訓練課程中，我們還根據文中給出的探究與創(chuàng)新選題，讓學生自己動手制作電磁鐵，設計實驗原理、實驗方法與實驗步驟，自主完成實驗，并提交實驗報告。學生選題積極性高，完成質量好，通過訓練，激發(fā)了學生探究物理規(guī)律的積極性，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維能力和動手能力。

通過我們近幾年在大學物理、普通物理設計型實驗訓練等課程的教學實踐，本文介紹的用自制電磁鐵演示的電磁實驗，在可靠性、科學性和直觀性等方面具有一定優(yōu)勢。通過演示實驗，既能激發(fā)學生的學習興趣，又能培養(yǎng)學生探究性學習習慣，進而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，取得了良好的教學效果。

［1］ 吳國勇.電磁感應實驗的創(chuàng)新設計［J］.物理教學，2012，34（6）：31-34.

［2］ 李耀俊.用釹硼磁鐵演示電磁感應實驗［J］.物理教學，2010，32（32）：24-35.

［3］ 史香川.自制電磁阻尼、電磁驅動實驗器：系列［J］.教學儀器與實驗，2013，29（6）：41-43.

［4］ 吳百詩.大學物理：下［M］.西安：西安交通大學出版社，2014.

Through the Demonstrative Experiment Reveals the Basic Laws of Electromagnetic Phenomena by Homemade Electromagnet

Li Yaozong， Hua Xuexia， Ma Qing
School of Physics and Electronics Engineering， Xianyang Normal University， Xianyang， 712000， China

The comparison of the suction of electromagnet with air-core coil， electromagnet self inductance discharge and the storage magnetic energy of electromagnet were demonstrated by homemade electromagnet. The principle of the experiment was analyzed. We summed up the basic law of the electromagnetic phenomenon and put forward some of the selected topic to further explore.

electromagnet； ampere force； self induction； magnetic energy

2016-04-12

李耀宗，本科，副教授，物理系主任。華雪俠，碩士，講師。

咸陽師范學院教學改革研究項目（編號：201202016）；陜西省教育廳科研計劃項目（編號：16JK1821）。