電生磁、磁生電演示儀

黃曉標 熊小蘭

(1. 江西省教育廳教學教材研究室,江西 南昌 330046; 2. 樟樹第三中學,江西 樟樹 331200)

電生磁、磁生電現象的發現,是電磁學發展史上的重要成就,它進一步揭示了自然界電現象和磁現象之間的聯系,促進了電磁理論的發展,為麥克斯韋電磁場理論的建立奠定了堅實的基礎,使現代工業、電工和電子技術得以建立和發展,對人類社會的發展有著劃時代的貢獻.

1 歷史回顧

1.1 奧斯特的發現——電生磁

第一個發現電磁之間有聯系的是著名物理學家奧斯特.奧斯特對電和磁的關系很感興趣.在他之前,富蘭克林曾做的萊頓瓶放電實驗,使奧斯特認定電磁轉化是很有可能的,所以一直想找到能證明這種轉化的方法.1820年4月的一天晚上,奧斯特在講課中突然出現了一個想法,講課快結束時,他說:“讓我把導線與磁針平行放置來試試看.”他把一條非常細的鉑導線放在一根用玻璃罩罩著的小磁針上方,接通電源的瞬間,發現小磁針微微動了一下.這一現象使奧斯特又驚又喜.他緊緊抓住這一現象,連續進行了3個月的實驗研究,設計了幾十個不同的實驗,都證實了通電導線周圍存在磁場.同年7月,向學術界宣布了電流的磁效應,整個物理學界都震動了.在獲得這個新發現之前,奧斯特對電和磁的統一性已經研究了十幾年,一直在設法證實電和磁的聯系,所以奧斯特發現電能生磁不完全是機遇在起作用,而是偶然中的必然,正如巴斯德的那句名言:“在觀察的領域里,機遇只偏愛那種有準備的頭腦.”[1]

1.2 法拉第的發現——磁生電

在法拉第的思想中,確信物理學所涉及的自然界的各種力是互相緊密地聯系著的.他分析了電流的磁效應以后認為,既然電可以產生磁,反過來磁也應該能產生電.他在1822年的一篇日記中就寫了這樣的話:“把磁轉化成電.”法拉第朝著這個目標,堅定不移地堅持實驗、研究近十年,經歷五次重大失敗,他終于在1831年8月獲得成功.他在一個圓形軟鐵環兩邊繞上A、B兩組線圈,在A組線圈同伏打電池接通或切斷的瞬間,B組線圈中會感生出電流,法拉第把這叫做“伏打電感應”.[2]

2 實驗方案

奧斯特的電生磁與法拉第的磁生電現象的發現,是科學家矢志不渝地堅信電、磁之間的聯系是密不可分，并長期不懈堅持實驗研究的結果.有沒有一個實驗方案能很好地體現兩者之間密不可分的這種聯系.尋著這種指導思想,我們在認真研究奧斯特實驗、法拉第實驗的基礎上,應用日常生活中易得的器材,設計制作了電生磁、磁生電演示儀,應用于教學實踐中收到了很好的教學效果.

圖1為電生磁、磁生電演示儀原理示意圖.一節干電池提供的直流電通過雙刀雙擲開關,變換成交替變化的交變電流,方法是:將單刀雙擲開關的1、4和2、3接線柱相連,干電池接入3、4端,當雙擲開關的刀片交替接觸1、2和3、4接線柱時,中心接線柱5、6輸出端將輸出交變電流.這樣置于直導線下方的小磁針在直線電流磁場的作用下,將沿順時針和逆時針交替偏轉.由于直導線中的電流交替變化,穿過直導線的磁環中將產生交替變化的磁場,引起線圈中磁通量的變化,在線圈中產生感應電動勢,驅動與線圈相連的LED閃亮.圖2為實驗原理裝置圖.

圖1 原理示意圖

圖2

3 關鍵元件的制作方法

3.1 長直導線的制作

在動力用電的電源線中取一段長約10 cm,線徑2.5 mm金屬銅導線,在其絕緣層外再套一層絕緣材料,再取一小塊泡沫套在絕緣層外,一是突出導線與外部線圈之間的絕緣,二是便于繞有漆包線的磁環線圈固定于直導線上.

3.2 線圈的制作

在廢舊電器設備中選取外徑3 cm、內徑2 cm的鐵氧體磁芯一個(或郵購).找一段線徑1 mm漆包銅導線,將其密繞在鐵氧體磁環上,約能繞50圈,線圈兩端線去掉漆皮與反向并聯的LED連接,制作原材料如圖3所示.

圖3

4 演示方法

按圖2方式安裝實驗裝置.直導線穿過鐵氧體磁環線圈中心,水平放置于支架之上.電池安放于支架底座下方.小磁針置于直導線下方,調整底座方位,使小磁針南北指向與直導線方向一致.雙刀雙擲開關上下撥動使電路通斷,可觀察到小磁針水平順時針和逆時針交替偏轉,同時可看到與線圈連接的LED閃亮.小磁針的偏轉就是通電直導線產生磁場作用的效果.LED閃亮就是直導線電流的通斷變化,引起磁環中磁場的交替變化,導致繞在磁環上的線圈中的磁通量變化產生感應電動勢,驅動LED發光.這樣電生磁、磁生電就合二為一,成為不可分割的整體.

圖4 變頻開關原理圖

為使演示效果更佳,可將雙刀雙擲開關改進為旋轉式電源極性變換裝置,其工作原理如圖4所示,按工作原理圖的原理在廢舊多用表上進行實際改制,實物圖如圖5.確保制作后多用表的旋轉開關P轉動時,帶動滑片P1、P2旋轉,使通過1、2輸入的直流電源在滑片的作用下,通過與滑片P1、P2連接的5、6端輸出的電源極性是交替變化的,當滑片P的轉速較快時,5、6兩端輸出的就是頻率較大的交流電,從而引起線圈中磁通量的變化率更大,LED的頻閃更小、亮度更高.表盤轉動開關P旋轉時形成的演示效果如圖6所示.

圖5

圖6

該演示儀還是一個變形的法拉第線圈,電源、支架和直導線組成只有一匝的一組線圈,磁環充當鐵芯,另一組線圈就是連著LED的漆包線圈.開關通斷變化,直導線產生交替變化的環形磁場剛好高效率地導入磁環之中,減少了磁能的損失,因而一節干電池就能使LED閃亮.由雙刀雙擲撥動開關控制電路的通斷,過渡到旋轉式開關的設計制作,使直流輸入引起輸出端電源極性和頻率的變換,有利于學生科學素養的養成和創新思維的提升.

1 普通高中課程標準實驗教科書.物理選修3-1.教師教學用書(第3版).北京:人民教育出版社,2010:154-156.

2 普通高中課程標準實驗教科書.物理選修3-2(第3版).北京:人民教育出版社,2010： 2-5.

3 黃春如,熊小蘭.電容器對交、直流電作用的演示儀[J].物理教學,2015(04):27-28.