基于實驗合理外推線圈在輻向磁場中的受力情況

黃衛良

(張家港市樂余高級中學 江蘇 蘇州 215621)

用微元法推導線圈在輻射磁場中的受力情況，嚴格說是一種純數學方法[1].作為補充，筆者在實驗基礎上進行合理外推，更符合學生的科學認知規律.

1 讓方形線圈唱歌

找一個老人用聽戲機，插入存有MP3歌曲的內存卡，并打開后蓋，把焊接在喇叭上的兩根導線脫開，將這兩根導線延長后接到方形線圈的兩端，即用方形線圈代替了喇叭，如圖1所示，并在方形線圈的一條邊附近放置1塊小型馬蹄形磁鐵.

圖1 音頻電流通入方形線圈

教師：同學們，見證奇跡的時刻到了，請注意傾聽.

學生：天哪.方形線圈居然會發出音樂？會不會另外有喇叭在播放？

教師讓學生上講臺檢查，學生發現的確是方形線圈在發聲，但即使把播放器的音量旋鈕調節到最大位置，線圈播放的聲音還是比較微弱.

教師：線圈為什么會唱歌呢？

學生：……

教師接下來再把一個電流傳感器串聯入方形線圈回路，讓學生觀察其中電流的變化[2]，如圖2所示.

學生：明白了，線圈中通有大小方向不斷變化的電流，磁場就對線圈產生大小方向不斷變化的安培力，從而帶動線圈振動而發出聲音.

圖2 傳感器檢測方形線圈中電流

教師：很好.這樣的電流稱為音頻電流，其變化規律和錄制音樂的規律是一致的.

2 增加馬蹄形磁鐵的數量

教師：用一個馬蹄形磁鐵，線框唱歌的音量實在是太小了.接下來老師放入第2、第3個馬蹄形磁鐵，同學們認真觀察，看看有什么變化？

學生：線框播放音樂的聲音變大了.

教師：為什么聲音變大？同學們會解釋嗎？

學生：因為導線在磁場中的有效長度變長了.

教師：很好.

教師接下來PPT展示以上用1,2,3塊磁鐵實驗的示意圖，如圖3所示.

依次加入1塊、2塊、3塊磁鐵,可發現線圈發出的音樂逐漸變強

3 合理外推

教師：同學們，在依次放入1,2,3塊馬蹄形磁鐵的實驗基礎上，我們把磁鐵越放越多，如圖4所示.請同學們合理外推下,線框在磁場中的有效長度，最大可以達到多少？

合理外推:隨著磁鐵越放越多,線框在磁場中有效長度最大是多少?

學生：應該是線框的4條邊全部放滿磁鐵，最大有效長度，就是線框的周長.

教師：很好,當線圈4條邊都放滿磁鐵后，就可以把所有磁鐵合并為一個大的方形磁鐵，線框外側就是S極，內側就是N極，這實際上已經是一個方形輻向磁場了.

教師投影展示示意圖，如圖5所示.

教師：同學們，有沒有發現，如果把這個方形的輻向磁場進一步合理外推為圓形輻向磁場，如圖6所示，則線圈在磁場中的最大有效長度就變為多少？

圖5 四周放滿磁鐵合理外推為方形輻向磁場

圖6 方形輻向磁場合理外推為圓形輻向磁場

學生：就是其周長.

教師：如果考慮線圈的匝數呢？

學生：就是周長與匝數的乘積.

教師：很好，我們通過實驗，再進一步合理外推，發現了圓形輻向磁場中的線圈，其在磁場中的有效長度就是周長與匝數的乘積，這樣線圈受到的安培力就最大，線圈振動的效率就最高.實際的揚聲器就是因為采用了這樣的輻向磁場，而有效提高了振動發聲的效率.同學們課后可以找個廢舊玩具上的小喇叭拆下磁鐵，去進一步了解輻向磁場.