新型楞次跳環實驗裝置的制作

(江蘇省丹陽高級中學,江蘇 丹陽 212300)

1 引言

跳環實驗是關于電磁感應現象的著名演示實驗,在圓柱形鐵心上繞一個多匝線圈,將一輕質鋁環套在鐵棒上,當線圈接通電源時,鋁環便向上跳起,故稱“跳環”實驗。該實驗能以一種強烈的視覺沖擊來演繹電磁感應定律和楞次定律,具有非常好的教學功能。筆者用兩種不同方案對此進行了制作和實驗,效果較好。

2 制作方案

2.1 低壓電源版

電路如圖1所示,制作要用到的電子元件有:

(1) 18650鋰離子電池。其電動勢為4.2V,3節串聯可得到12.6V的電壓。

(2) ZVS升壓集成板。它有4個接線柱,其中兩個輸入接線柱接鋰離子電池組的輸出端；另外兩個接線柱能輸出450V的直流高壓。

(3) 標稱為“500V,1000uF”的電解電容。升壓集成塊的輸出端可直接與電容兩極相連,對其進行充電,注意正負極不能接反。

(4) 70TPFS16晶閘管。“70”指它能通過70A的電流,“16”指它能承受1600V的高壓。晶閘管相當于一個無觸點開關,它有K、A、G三個引腳，當GK腳之間不通電時,AK處于斷開狀態,當GK之間通過150mA左右的觸發電流時,AK處于導通狀態,能通過高達70A的超大電流,所以它實際就是一個用小電流控制大電流的無觸點開關,用于控制充電后的電容器對線圈進行大電流放電,原因是一般的觸點式開關無法承受較強的沖擊電流,易燒毀。

(5) 線圈。在內徑為8mm的PVC管上用直徑0.8mm的漆包線繞6層,每層30匝,共計180匝。

(6) FR607續流二極管。由于電容器放電時線圈中電流急劇增大又急劇減小,如果沒有該二極管的續流作用,會在線圈兩端形成極高的自感電動勢,造成其他電子元件的損壞。

(7) 觸發開關兩個。該開關為非自鎖型,按下接通,不按斷開。一個用于控制充電,一個用于控制放電。

(8) 數字電壓表。用于監測電容器兩端電壓變化情況。

圖1

圖2

優點：成本低,功耗小,體積小便攜,低壓安全。

2.2 高壓電源版

高壓電源版跳環實驗裝置如圖3所示，電路原理如圖4所示，220V交流電通過四個二極管組成的橋式整流電路得到峰值為311V的直流電。電容器仍用“500V,1000uF”的電解電容，為了獲得更好的效果，可用多個電容并聯使用。當雙刀雙擲開關與左側兩端點連通時,電容器充電1-2s,再與右側兩端點連接時,電容器對線圈放電,鋁環跳起的基本原理與方案1相同,不再累述。

圖3

圖4

特點：制作原理看似簡單,但由于利用高電壓、大電流充放電,對實際操作能力要求嚴格,對元器件的要求也較高，應當注意安全。

本實驗可用微信掃描圖5所示的二維碼直接觀看。

圖5

3 結語

楞次定律是高中物理電磁學部分的一個重點教學內容,本文介紹了物理實驗“楞次跳環”的創新制作方案,通過觀察實驗現象，并對其科學原理進行剖析,能夠幫助學生更好更快地理解和掌握該定律，也能夠幫助教師更好地進行相關實驗教學。