變壓器上的電磁感應

摘要:本文利用中學物理實驗室中常見的J2425型變壓器，設計出千人震、跳環、渦流、電磁阻尼和自感等電磁感應實驗，有效地支架起了學生的學習情景，使學生意義構建起了電磁感應知識。

關鍵詞:變壓器;電磁感應;支架

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)6(S)-0030-3

新課程標準要求學生體驗物理，進行多樣性的學習，同時要求教師盡量開發實驗，使學生在真實的情景中質疑，同化新知識，意義建構自己的知識圖式，使知識得到順應。從本質上講，教師教學的輔助性材料也是為了幫助學生理解知識，起到支架作用，即常說的“教是為了不教”。

由于物理學科的特點，實驗是很好的支架，起到了十分必要的拋錨效果。電磁感應是高中物理教學中的一個重點和難點，它有許多令學生難以置信的現象，但不可能像大學那樣從微分方程進行純數學推導，這時實驗就起到良好的腳手架作用。它可以幫助學生建起“知識”大廈。本人用中學實驗室里常有的J2425型變壓器做出了很多電磁感應現象實驗。

1 “千人震”實驗

如圖1所示，綠色線圈接400匝，然后串聯上開關和干電池，紅色線圈接1 600匝，然后兩根導線分別被“串聯”起來的兩邊人手握著金屬部分。當開關接通和斷開的瞬間，手牽著手的學生們會有觸電的感受，同時自覺地把手松開。這是互感的原因。但把電池接在同一線圈上(如圖2所示，電池也接在紅色線圈1 600匝)，當開關接通時，人沒有感覺，可當開關斷開瞬間，他們突然受到電擊，迅速收回雙手。這是自感的原因。如果一個人，可以把圖2改裝成圖3，鋸條代替開關，當人兩手拿鋸條來回接觸運動時，線圈電流在不斷地變化產生強自感電動勢，使人有電擊的感覺。同時觀察到鋸條間會出現電火花，所以大功率用電器的開關應該裝在金屬殼中，甚至把開關的接觸點浸在絕緣油中，避免出現電火花。

2 “發光”實驗

“千人震”實驗是觸覺的感受，利用發光二極管或電表可以形成視覺的電磁感應現象。如圖4所示，把紅色線圈拆出來，把1 600匝與發光二極管相連，把磁鐵插入(或拔出)時二極管發光。把圖1、2中的人、圖4的二極管換成電流表，容易得到感應電流產生的條件。查明線圈的繞向，能判斷感應電流的方向，即楞次定律。

3 “跳環”實驗

實驗裝置如圖5所示。將條形軛鐵豎直(磨光面向下)放在U形鐵芯的一個立柱上。套上紅色線圈及鋁環。把線圈0~800匝的兩端接220V交流電源。

演示時，接通電源，由于線圈中有交變電流通 圖 5過，在鋁環中產生了感生電流。感生電流的方向與線圈中電流方向相反，因而感生電流產生的磁場與線圈磁場方向相反，兩者相互排斥而使鋁環跳起，并可懸浮在軛鐵上。為防止在通電瞬間鋁環跳出，可在軛鐵頂上放一本書或用手擋住。

此實驗也可以用楞次定律進行解釋:接通電源，鋁環的磁通量增加，由楞次定律可知，鋁環要向磁通量減少的方向運動，則只有向上跳了。

有這樣一道題:如圖6所示，水平面上有兩根平行導軌，上面放兩根金屬棒a、b。當條形磁鐵向下移動時(不到達導軌平面)，a、b將如何移動?

答案 a、b金屬棒將靠近，其理由與跳環原因一樣。本人將圖5的軛鐵和鋁環去掉，把圖6的框架放在鐵芯上，設計成圖7實驗， 當接通電源時，能清楚地看到a、b棒靠近。

注意:由于實驗時通過線圈的電流強度較大，通電時間一次不要超過1min。以下用到220V的交流電壓時都要注意這個條件，不再另述了。

4 “渦流”實驗

如圖8所示，把紅色線圈(1 600匝)通過家庭電燈用的拉線開關S(不要用低電壓用的單刀單擲開關)接上220V的交流電，條形軛鐵與極掌之間留下0.5～1cm的距離。因為極掌是一整塊軟鐵做成，閉合開關S，所以在極掌鐵芯內部產生渦流，并形成渦流電壓。將示波器Y軸調整在衰減×1擋或×10擋，X軸掃描頻率調整在10～100Hz范圍。Y軸和地之間的輸入導線可用多用表的表筆，作為探針。Y軸和地的探針P、Q與極掌上不同的兩個點接觸，如:AO、AB、AC或CD。在示波器屏幕上都可以看到渦流交流電壓的正弦波形。條形軛鐵是硅鋼片制成，每一片硅鋼片之間是絕緣的，其渦流電流控制在每一片硅鋼片的最小范圍內，在條形軛鐵的端面檢測不到明顯的渦流電壓波形。

斷開開關S，探針P、Q仍與上述各點接觸，則在示波器上看不到渦流電壓波形。可知上面實驗所看到的正弦電壓波形是極掌中由于電磁感應形成的渦流電壓波形，而不是線圈中220V交流電壓波形。

5 “電磁阻尼”實驗

實驗裝置如圖9、10所示。將綠色線圈套入U形鐵芯內，兩極掌分別放在側立鐵芯上方，并使垂直端面相對，距離約20mm，用軛鐵壓板壓緊。把擺架裝在壓板上，使擺架的刀承與極掌相對面垂直。再分別將強、弱阻尼擺的口刀放在刀承上，使兩擺能在極掌的空隙間自由擺動，互相不摩擦、不碰撞。線圈用400匝，電源接直流12～16V。

演示時，先不給線圈通電。將兩擺偏離平衡位置約20°，同時釋放任其自由擺動。這時，可看到兩擺不僅衰減很慢而且衰減幅度也基本相同。再給線圈通電，重新使兩擺在同一高度釋放使它們擺動。這時可以看到，強阻尼擺迅速衰減并停止擺動(圖9)，而弱阻尼擺則衰減較慢，較長時間仍能擺動(圖10)。

6 “感應電場”實驗

圖5中由于線圈通入的是交流電，線圈中的磁場是變化的，則在它的空間產生感應電場，將導線圈放入其中，感應電場對導線中自由電子就會有力的作用，使電子做定向移動，從而使燈泡發光、金屬發熱。所以圖5鋁環壓在軛鐵中，過一會兒，鋁環就會發熱。用感應燈代替鋁環，當感應燈從條形軛鐵上方逐步套入時，隨著磁通量變化率的增加，感應電流逐步加大，小燈泡亮度也逐漸增強。小燈泡的額定電壓為2.5V。

把圖9所示的裝置去掉阻尼擺及支架，使兩極掌間的距離略大于感應燈的口徑。接通電源(交流220V)，把感應燈線圈從上方插入極掌空隙內。當線圈平面與極掌端面平行時，感生到線圈中的電流強度最大，小燈泡最亮。逐漸旋轉線圈，直到線圈平面與極掌平面垂直時，小燈泡漸漸轉暗直至完全熄滅。如:將小燈泡兩端用導線外接一演示電表(交流15V或25V擋)，從指示數得到感應電壓值。

7 “自感”實驗

①通電自感現象演示

實驗電路如圖11所示。在自感現象演示板上接入裝有閉合鐵芯的紅色線圈(1 600匝)做為電感器L。將示教板插進軛鐵壓板上，用壓緊螺母固定。電源用J1201型低壓電源直流穩壓12V輸出。

演示前，先將可變電阻R值調到最大，閉合電鍵S，再調節R值，使D1、D2兩小燈泡亮度相同后，將S斷開。演示時，閉合電鍵S，電路接通，電路中電流增加，穿過線圈L的磁通量增加，從而產生感應電動勢，感應電動勢將阻礙線圈電流增大，使燈泡D1電路中的電流的增加速度變慢。因此，可以明顯地看到，D1比D2發亮的時間滯后。如需重復觀察上述現象，最好將a、b兩點的電源接線互相調換一下極性，以減少鐵芯剩磁對實驗效果的影響。

②斷電自感現象演示

實驗電路如圖12所示。電感器L用紅色線圈(200匝)或者用綠色線圈(400匝)，加上鐵芯。a、b兩端輸入6V直流穩壓電。

演示時，閉合電鍵S，小燈泡正常發亮。當斷開S時，線圈L中的電流迅速減弱并消失，同時引起磁通量的急劇變化，使線圈中產生一個感應電動勢，此感應電動勢的方向跟線圈中的電流方向相同，阻礙電路中電流減弱，使電流仍能沿原來方向繼續流動一個瞬間。由于感生電動勢遠高于電源的電動勢，結果使燈泡D1在切斷電源的一瞬間發出強光后熄滅。

③電“慣性”演示

如圖12，斷開S瞬間，線圈產生自感電動勢，使線圈的電流在原來的基礎上減弱，同時D1獲得一個與原來相反方向的電流，本人把圖11每條支路中各加入了一個電流表，如圖13所示。電流表用J0401型電流表，量程為1A左右。當斷開S，電流表○A1指針沒有發生突變，而是在原來的基礎上逐漸減少，而○A2指針突然反轉，然后才逐漸減少，很好地演示了線圈的電“慣性”。

注意:進行此實驗時，特別要注意電源選擇，要用電池或穩壓電源，不能使用脈動直流電源。

參考文獻:

[1]J2425型變壓器說明書

[2]課程教材研究所編寫[M].北京:人民教育出版社.物理#8226;教師教學用書(選修32)[M].北京:人民教育出版社，2008.

(欄目編輯鄧 磊)