無線輸電演示儀

倪 峰

(德清縣高級中學 浙江 湖州 313200)

無線輸電演示儀

倪 峰

(德清縣高級中學 浙江 湖州 313200)

自制的無線輸電演示儀，能直觀演示無線輸電的兩種方式，取得良好的教學效果，該演示儀能讓學生體念電磁波的魅力，激發學生的好奇心，點燃學生的科學興趣，提高學生的科學素養．

自制 無線輸電 高頻電磁波

人教版選修3-4教材第十四章第1節“電磁波的發現”，闡述了1886年赫茲的電火花實驗，人類首次捕捉到電磁波[1]．若能在教學課堂上利用現代科學技術直觀演示電磁波的捕捉來實現無線輸電，對教師的教學，激發學生的好奇心和提高科學素養會很有幫助．

1 演示儀電路圖

自制的無線輸電演示儀，如圖1所示.

圖1 演示儀電路圖

幾點重要說明：

(1)繞有3匝細導線的為演示儀初級，繞有500匝漆包線的為演示儀次級．

(2)三極管在該演示儀中具有核心地位，在電路中具有兩大作用．起放大電流的作用，起逆變器的作用(對直流電進行開關，使直流電變成交流電)．

(3)該演示儀實際上是串聯諧振變壓器，接通電路后，由于電路是開放的，裝置的次級會發射出較高強度的高頻電磁波．該演示儀正是利用次級發出的高頻電磁波實現無線輸電．

2 實驗原理

(1)熒光燈發光原理.接通電路后，裝置的次級會發出較高強度的高頻電磁波，使熒光燈內的惰性氣體在高壓下電離，形成氣體導電電流，運動的氣體離子與汞原子不斷碰撞，給予汞原子能量，使汞原子躍遷到高能級，但不穩定，之后汞原子躍遷到低能級釋放光子，高能的光子與熒光粉發射碰撞，釋放白光[2]．

(2)LED燈發光原理.接通電路后，裝置的次級會發出較高強度的高頻電磁波，高頻電磁波通過接有LED燈的線圈后，會在線圈上產生感應電流，感應電流通過整流的LED燈后會使LED燈發光[3]．

3 制作材料

12 cm×18 cm電木板1塊，KCD11船型開關1個，22 kΩ電阻1個，WPS2222A型三極管1個，9 V電池扣2個，9 V電池2塊，0.25 mm漆包線長30 m，直徑3 cm長9 cm的PVC管1根，3個可樂瓶蓋，熒光燈1只，LED燈1只，細導線若干條，絕緣膠布，電烙鐵，膠槍，剪刀，打火機．

4 制作過程

(1)制作次級和初級.如圖2所示，用0.25 mm漆包線在直徑3 cm，長9 cm的PVC管上均勻繞500匝，制成次級．用細導線在次級上均勻繞3匝，制成初級．用絕緣膠布將初級固定在次級上，并用膠槍打膠加固初級．(在繞制的次級的下端剩余漆包線和繞制的初級兩端的細導線要盡量留長點，可方便排布導線)

圖2 次級和初級

(2)固定電學元件.圖3為演示儀電學元件的正面分布圖．用膠槍在12 cm×18 cm電木板的合適位置膠固上1個KCD11船型開關．在靠近船型開關的合適位置上平行插進1個22 kΩ電阻和1個WPS2222A型三極管，在遠離船型開關處用膠槍在電木板上膠固次級，將次級下端的漆包線和初級兩端的細導線插入電木板(電木板上插入以上電學元件時，位置不是絕對的，但一定要合適，一來美觀，二來方便接下來的排布導線)．將兩只電池扣串聯，正極一端導線接在開關上，負極一端導線接在三級管的發射極．圖4為插入電學元件后的背面分布圖．

圖3 演示儀電學元件正面分布圖

圖4 插入電學元件后的背面分布圖

(3)排布導線.用電烙鐵將電池紐扣的負極導線與三級管的發射極用電烙鐵一起烙住，如圖5紅圈Ⅰ處所示．將三級管的基集，電阻的一端和次級下端漆包線(尾部掛掉漆)一起烙住，如圖5紅圈Ⅱ處所示．三極管的集電極與初級的一端導線一起烙住，如圖5紅圈Ⅲ處所示．將電阻的另一端，初級的另一端導線和連接開關的導線一起烙住，如圖5紅圈，Ⅳ處．至此形成完整的通路，最后用膠槍膠固住導線，在電木板底部膠固住3只可樂蓋，形成穩定底座，如圖6所示．

圖5 紅圈為電烙位置

圖6 成品演示儀

5 演示過程

裝上2塊9 V電池．打開船型開光．熒光燈接近裝置的次級，在靠近次級3～4 cm的位置，熒光燈被點亮，如圖7所示．繞有80匝線圈相連的LED燈靠近次級，LED燈被點亮，如圖8所示．關掉開關，取下電池．

圖7 熒光燈發光

圖8 LED燈發光

該演示儀，在次級不會產生電弧，是一種安全、小功率的無線輸電裝置，不會對人體產生傷害，且制作起來比較簡單．演示的實驗現象直接明了，學生的感官容易受刺激，使學生對電磁波及無線輸電有更深入的了解，激發學習興趣．課后可鼓勵學生動手嘗試該演示儀的制作及改進，培養學生的動手能力及物理科學素養．

1 人民教育出版社，課程教材研究所，普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-4.北京：人民教育出版社，2011

2 牟春陽，李世中，梁國強.基于特斯拉線圈的無線電力傳輸系統.科學技術與工程，2015，15 (13):77

3 李廣凱，梁海峰，趙成勇，等.幾種特殊輸電方式的分析比較和展望.中國電力，2004(4)：48

WirelessElectricPowerTransmissonDemonstrator

NiFeng

(DeqingSeniorhighschool,Huzhou,Zhejiang313200)

The self-made wireless electric power transmisson demonstrator can demonstrate two types of power transmission and get good teaching results. This demonstrator will let students experience the charms of electromagnetic field and stimulate students' curiosity. At the same time, it will ignite students' scientific interest and improve the students' science literacy.

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2016-04-06)