渦流現象及其綜合應用演示儀

楊婉華 李德安 江敏麗

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

渦流現象及其綜合應用演示儀

楊婉華 李德安 江敏麗

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

在物理教學中，學生普遍對渦流現象的理解比較困難，而在教學過程中又缺少必要的演示裝置．根據教學需要，以教材為出發點，對人教版及粵教版的高中《物理·選修3-2》中關于“渦流”這一節的教學內容當中涉及到的實驗進行整合設計．本裝置能夠實現多種渦流實驗的演示，包括渦流現象，影響渦流的因素，渦流熱效應，減小渦流的方法，渦流的應用等．此外，本演示儀還能演示電磁感應與無線輸電，并且效果良好．

渦流 渦流熱效應 綜合應用 演示儀

在粵教版教材高中《物理·選修3-2》當中，渦流作為特殊的電磁感應現象被安排在電磁感應一章的最后一節，教材內容與社會生活聯系十分緊密．渦流產生在整塊導體的內部，無法用電流表直接檢驗渦流的大小和方向，因此導致學生缺少對渦流的大小和方向的認識．歷年來都有關于渦流的實驗儀器涌現，但現有的裝置普遍存在綜合性不強，演示時間較長，沒有說明導體外周長對渦流大小的影響等缺點．

1 實驗裝置的設計思路與原理

渦流的現象及其應用這一節涉及的實驗較多，頻繁更換儀器會耽誤課堂進度，浪費寶貴的上課時間．本裝置采取實驗整合的思路，采用ZVS(零電壓開關)逆變器電路為通電線圈提供高頻電流，加快渦流熱效應的產生．

渦流是導體在交變磁場中產生的環繞導體軸線一圈一圈流動的感應電流．當線圈通入高頻交變電流時，線圈上的金屬片產生渦流而發熱．若在金屬上涂上溫變油墨，溫變油墨便會隨著金屬溫度的升高而變色，從而反映渦流的大小．ZVS(零電壓開關)逆變器將直流輸入逆變成高頻交流電為線圈通電．高頻電流能夠在線圈周圍產生高頻交變磁場，高頻交變磁場使金屬產生很大的渦流．

2 演示儀的制作

2.1 制作材料和所需工具

制作材料：600 W開關電源、洞洞板(2塊)、100 μH線圈(2個)、470 Ω電阻(2個)、FR307整流二極管(2個)、IN4742穩壓二極管(2個)、10 kΩ電阻(2個)、IRFP260場效應晶體管(2個)、0.33 μF電容(12個)、2 μH銅管線圈(2個)、大面積散熱片(4片)、24 V散熱扇(1個)、空氣開關、電流表、水泵、7 mm硅膠管、接線柱(若干)、銅柱、導線若干、亞克力板、0.1 mm紫銅片、鐵片、鋁片和紙片若干、60 mm×60 mm×20 mm小木塊(4塊)等.

所需工具：螺絲刀、焊錫筆、焊錫、剪刀、松香、剝線鉗等.

2.2 演示儀制作方法

(1)制作ZVS(零電壓開關)逆變器，如圖1電路圖所示焊接逆感應加熱電路．

圖1 感應加熱電路圖

(2)按照如圖2所示組裝各裝置.

圖2 組裝示意圖

2.3 制作感應加熱金屬片

(1)將紫銅片、鐵片、鋁片和紙片各剪成若干個半徑為與銅管線圈半徑大致相等(約為2.5 cm)的圓.

(2)在其中一片圓鐵片中心畫一個半徑為5 mm的小圓，在小圓外的圓環當中等間距地剪去張角為10°的扇形.

(3)將鐵片剪成半徑稍小(約為1.5 cm)的圓.

(4)剪取18片長為10 cm，寬為2 cm的矩形鐵片分為兩份，一份緊密粘合在一起后用木塊固定好，另一份固定在事先劃好3個槽的木塊上，每個槽固定3塊鐵片.

(5)把溫變油墨均勻地涂在金屬片和紙片上.

(6)輕鋁環：用錫箔紙剪兩片長約20 cm，寬約2 cm的薄片，對折成長條狀．將其中一條長條圍一圈成閉合鋁環，另一條圍成開口的鋁環.

3 實驗裝置與現象

演示儀整體結構如圖3和圖4所示.

圖3 渦流現象與應用綜合演示儀外觀

演示儀主要由開關電源、感應加熱電路、銅管線圈、散熱扇、水泵和電流表構成.開關電源向感應加熱電路及散熱扇供電，感應加熱電路將直流電逆變成高頻交流電為銅管線圈通電，散熱扇與水泵分別對感應加熱電路與銅管線圈進行散熱.

圖4 裝置內部構造

3.1 演示金屬渦流現象

將薄木板做成的比銅管線圈稍高的架子放置在線圈上方，鐵片和紙片分別放在兩個線圈的正上方．

渦流是在導體中產生的感應電流，因此在鐵片上會因為產生了渦流而發熱．同時鐵片的電阻率小，產生的渦流大，迅速使其上方的溫變油墨從外到里變色．利用溫變油墨變色的情況說明了渦流的方向．而紙片則不會產生渦流現象，更不能發熱使溫變油墨變色．

3.2 影響渦流大小的因素

(1)導體電阻率

將半徑相等的圓鋁片和銅片分別放在線圈正上方．由于銅的電阻率較小，當兩個線圈中通入的電流相同時，銅片相比起鋁片所產生的渦流更大，產生的熱量更多，溫變油墨變色更快更明顯，如圖5所示．

圖5 演示金屬電導率對渦流的影響

(2)導體外周長大小

將半徑不同的鐵片放置在線圈正上方，半徑更大的鐵片產生的熱量使邊緣處的溫變油墨變色更快．在同一片鐵片上半徑越大的溫變油墨圈變色越快，說明導體外周長越大，產生的渦流越大，如圖6所示．

圖6 演示導體外周長大小對渦流的影響

3.3 減少渦流熱效應的方法

將步驟4中的緊密疊壓的鐵片和分槽固定的鐵片豎直放入加熱線圈的中央，鐵片上的溫變油墨從下往上變深，說明通電線圈里面的磁場比線圈外的更強；緊密疊壓的鐵片比分槽固定的鐵片變色更快，驗證了減少渦流熱效應的方法：用薄片疊壓的鐵芯代替整塊鐵芯，如圖7所示．

圖7 演示減小渦流熱效應的方法

3.4 渦流的應用

(1)渦流驅動

將開口和閉合鋁環分別放在感應加熱線圈正上方，啟動電源，線圈通電，鋁環中的磁通量發生變化．閉合鋁環產生感應電流，根據楞次定律，閉合鋁環將會受到一個向上的安培力而向上跳起，開口鋁環則不能產生電流而靜止，如圖8所示．

圖8 演示渦流驅動

(2)渦流檢測

渦流檢測的演示如圖9所示.把電流表串聯到電路當中，啟動電源．用金屬棒靠近感應加熱線圈，線圈產生的交變電場在金屬物中激起渦流，渦流又會產生感應電場引起線圈中電流的變化，電流表的指針發生明顯偏轉；用非金屬棒靠近線圈，電流表的指針沒有發生偏轉．

圖9 演示渦流檢測

4 實驗裝置特點

(1)演示速度快

只需10多s的時間便能迅速加熱至溫變油墨變色，極大提高了課堂演示實驗的效率．

(2)現象直觀明顯，對比性強

將兩個相同感應加熱線圈對不同材料產生的不同渦流現象進行對比，直觀明顯地說明影響渦流大小的因素．

(3)材料新穎

極大提高了學生的學習興趣．采用溫變油墨顯示溫度變化，既能顯示同一過程中溫度變化的趨勢，還能顯示同一時刻金屬片上不同部分溫度的高低，直觀反映了渦流熱效應的大小．

(4)綜合性強

覆蓋教材中關于渦流現象的絕大部分實驗，裝置更換方便，有效輔助教學．

1 王浙偉. 渦流熱效應演示實驗的改進.教學儀器與實驗，2009(9)：15～17

2 王文杰. 高頻并聯諧振逆變電源的研究:[學位論文].鄭州：鄭州大學,2014

3 徐益勇. 渦流熱效應演示實驗的改進.物理教師，2016(1)：57～59

4 王麗婭，李明輝，張金斗. 渦流作用演示器.教學儀器與實驗，2006(12)：41～42

5 郝志新. 關于渦流自制教具的思考.亞太教育，2015(29)：106

6 葉向陽. 渦流演示器.教學儀器與實驗，2014(12)：25～26

2016-12-19)