通電環形導線相互作用實驗裝置

陳果

在人教版普通高中課程標準實驗教科書物理（選修3-1）“通電導線在磁場中受到的力”一節中，安排有通電環形導線相互作用的實驗作業題。在實驗中，由于需用有毒的水銀作導體，有一定的安全隱患，不利于學生開展實驗。

我用銅片代替水銀作為導體，設計制作了通電環形導線相互作用實驗裝置，既能避免水銀對人體造成危害，又取得了良好的實驗效果。

一、裝置結構

裝置主要由環形導線、銅片、升降機構、感應線圈和豎直面板等組成，如右圖所示。

環形導線是用直徑約為1mm的漆包線繞制成的直徑約為40mm、匝數為40匝左右的彈簧螺線管，各匝間距約為2mm。

將環形導線的上端線頭固定在豎直面板上端的螺絲上，使下端線頭穿過一個紅色小球（用于觀察環形導線的振動情況）。將用鋼筋彎曲而成的U形鐵芯倒插在環形導線里，并讓U形鐵芯的上端掛在豎直面板上端的螺絲上。

升降機構由升降桿、手輪和外筒構成，并被固定在底座中央，用于導電的銅片被固定在升降桿上端。通過轉動手輪可調節銅片與環形導線下端線頭的間距。

豎直面板的下端被固定在底座的側面，上端安裝有一顆螺絲，用于固定環形導線和吊掛U形鐵芯。

感應線圈由一個高亮度的LED與邊長約8cm、匝數為30匝的線圈串聯而成，實驗時可套在豎直面板的上端。

二、實驗方法

調節升降機構上的手輪，使環形導線的下端線頭與銅片相距約2mm，用一個6V的蓄電池作為電源，用導線把電源的一個電極與環形導線上端的固定螺絲連接，再用導線把電源的另一個電極與升降桿上的銅片連接。

提起環形導線下端的小球，然后放開讓其自由下落，環形導線的下端便會撞擊銅片，并產生電流，可以看到環形導線上下振動、感應線圈上的LED斷續發光。

之所以上下振動是因為各相鄰環形導線中的電流方向相同，各自產生的磁場相互吸引，使環形導線收縮，電路斷開。因電流消失，環形導線之間的相互作用消失，環形導線恢復原來的狀態，電路又被接通。這個過程反復出現，使環形導線形成上下振動、電路交替通斷的現象。

LED斷續發光的原因是，環形導線中的電流交替通斷，激發出變化的磁場，變化的磁場穿過閉合的感應線圈，在線圈中產生交變電流，并驅動單向導電的LED斷續發光。