“電磁炮”模型在楞次定律教學中的應用

姜舟

摘 要：介紹了感應式線圈炮模型的構造及制作方法，并且在教學實踐中進行了運用，收到了良好效果。

關鍵詞：楞次定律；電磁炮模型；物理教學；感應式線圈炮

“楞次定律”是人教版《物理》選修3-2第四章“電磁感應”第三節的內容，它是電磁感應的基本規律之一，為我們判定感應電流的方向提供了理論依據。楞次定律表述中感應電流的方向與產生感應電流的原因之間的關系，對于學生來說非常抽象。雖然教材中用框圖的形式總結給出了判定感應電流的方向的四步操作方法，學生理解起來依然存在較大困難。

在實際教學中，教師常常利用演示實驗或者學生自主探究實驗的方式，幫助學生學習本節知識。例如，讓條形磁鐵進入或者離開接有靈敏電流計的閉合線圈，分析線圈中感應電流的變化；把閉合和斷開的鋁環架在轉軸上，用條形磁鐵分別靠近或者遠離，觀察所發生的現象。以上傳統實驗都能不同程度地驗證楞次定律，但筆者經過多次實踐，覺得上述實驗現象還不很明顯，因此，筆者根據電磁炮原理制作了一種能很好地驗證楞次定律的模型，經過使用，學生十分感興趣，效果良好。

電磁炮又稱脈沖能量電磁炮，是一種先進的動能武器，與傳統的以火藥為動力的大炮相比，具有初速大、射程遠、成本低等優勢。電磁炮可分為軌道電磁炮、線圈電磁炮和磁力線重接炮三種，其中線圈電磁炮又分為磁阻式線圈炮和感應式線圈炮。其中感應式線圈炮是給線圈通過強大電流，引起線圈中磁通量的突變，使拋體中產生感應電流以及磁場，這個磁場和原磁場相互作用從而驅動拋體前進。感應式線圈炮運用了楞次定律，所以筆者簡單談一談應線式線圈炮模型的制作過程及工作原理。

感應式線圈炮模型主要由充電回路、控制開關、發射線圈和拋體等部分組成。充電回路用來給儲能電容充電，而給充電回路供電可以用220 V市電或者蓄電池。市電是交流電，不能用來直接給電容充電，需要經過升壓、整流的過程。采用220 V市電的優點是充電速度快，插上插座即可使用。但這種方法的缺點也很明顯：有致命危險！本模型采用普通干電池串聯供電，電池電壓較低，所以需要升壓后再給電容充電。電容是儲存電能的設備，它可以提供瞬間的強大電流。本模型基于使用場景及Maxwell軟件的模擬，選用耐壓450 V，容量為2200 uf的電容。

接下來介紹發射回路，發射回路的核心是發射線圈，它是線圈電磁炮模型的主要部件，用來產生磁場給拋體提供推力。線圈纏繞的形狀、匝數對是否能夠成功發射拋體起到了決定性的影響。根據Maxwell軟件的模擬結果，線圈在較大的扁平比的情況下可以得到較好的發射效果。所以本模型采用直徑30 mm，厚6 mm的多層線圈，使用直徑1 mm的漆包線緊密繞制。發射拋體瞬間會產生極大的電磁力，有可能導致線圈撕裂，因此繞完線圈后需要用502膠水或者熱熔膠固定線圈并且填充漆包線之間的縫隙。

拋體的受力以及發射速度與材料的電導率以及密度有很大聯系。比較銅、鋁、鋅三種金屬材料，其中鋁的密度遠小于銅和鋅，而電導率相差不大，因此，鋁獲得的加速度要遠大于其他兩種金屬材料。另外，拋體的感應電流主要集中在拋體的后部，適當減少拋體的長度，幾乎不影響電流通路，但卻大大減少了拋體的質量，也能提高拋體的加速度。因此，選用電導率較高而密度小的鋁作為拋體的材料，加工成直徑30 mm、厚4 mm的圓盤形，這樣可以提高拋體的發射速度。

發射開關的選擇也很重要。一般的輕觸式開關無法承受上千安培這個數量級的電流，而可控硅面對這么大的電流也難以勝任，非常容易燒壞。因此，空氣開關成了比較理想的選擇。較好的空氣開關可以承受4500 A、0.1 S，比可控硅性能要好很多，成本也比較低。

實驗時，接通充電開關，6V直流電經三極管產生振蕩電流，經電感線圈升壓、二極管整流后輸出高壓直流電給電容充電。待電容充電結束后，斷開充電開關，接著閉合空氣開關，發射線圈中就會有瞬時的大電流流過，產生很強的磁場。與此同時，放置于線圈上的鋁質拋體中會產生感應電流，從而產生與發射線圈中的磁場相反的磁場。這兩個相反的磁場間就會產生很強大的電磁力，可以把拋體“啪”地一聲發射很遠。經筆者多次試驗，觀察到本裝置可以將拋體發射至十幾米高。如果要更好地驗證楞次定律，還可以在發射線圈上加裝斷電裝置，

使其電流突然消失，那么發射線圈可以從較遠處將拋體吸引過來，這是因為拋體感應產生了與發射線圈中方向相同的磁場。本裝置實驗現象明顯，電路簡單明了，便于學生觀察理解。在學習“楞次定律”這一節時，筆者在課堂上展示并且讓學生操作本模型，學生對此興趣強烈，從而能更好地幫助學習楞次定律，收到了良好效果。

參考文獻：

[1]崔鵬.新型電磁發射技術的研究[D].國防科學技術大學，2005.

[2]李如年，王敬，王海.新概念動能武器電磁炮[J].中國電子科學研究院學報，2011.

編輯 李建軍