通電環(huán)形導(dǎo)線相互作用實(shí)驗(yàn)裝置

陳果

在人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理（選修3-1）“通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力”一節(jié)中，安排有通電環(huán)形導(dǎo)線相互作用的實(shí)驗(yàn)作業(yè)題。在實(shí)驗(yàn)中，由于需用有毒的水銀作導(dǎo)體，有一定的安全隱患，不利于學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)。

我用銅片代替水銀作為導(dǎo)體，設(shè)計(jì)制作了通電環(huán)形導(dǎo)線相互作用實(shí)驗(yàn)裝置，既能避免水銀對(duì)人體造成危害，又取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。

一、裝置結(jié)構(gòu)

裝置主要由環(huán)形導(dǎo)線、銅片、升降機(jī)構(gòu)、感應(yīng)線圈和豎直面板等組成，如右圖所示。

環(huán)形導(dǎo)線是用直徑約為1mm的漆包線繞制成的直徑約為40mm、匝數(shù)為40匝左右的彈簧螺線管，各匝間距約為2mm。

將環(huán)形導(dǎo)線的上端線頭固定在豎直面板上端的螺絲上，使下端線頭穿過(guò)一個(gè)紅色小球（用于觀察環(huán)形導(dǎo)線的振動(dòng)情況）。將用鋼筋彎曲而成的U形鐵芯倒插在環(huán)形導(dǎo)線里，并讓U形鐵芯的上端掛在豎直面板上端的螺絲上。

升降機(jī)構(gòu)由升降桿、手輪和外筒構(gòu)成，并被固定在底座中央，用于導(dǎo)電的銅片被固定在升降桿上端。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪可調(diào)節(jié)銅片與環(huán)形導(dǎo)線下端線頭的間距。

豎直面板的下端被固定在底座的側(cè)面，上端安裝有一顆螺絲，用于固定環(huán)形導(dǎo)線和吊掛U形鐵芯。

感應(yīng)線圈由一個(gè)高亮度的LED與邊長(zhǎng)約8cm、匝數(shù)為30匝的線圈串聯(lián)而成，實(shí)驗(yàn)時(shí)可套在豎直面板的上端。

二、實(shí)驗(yàn)方法

調(diào)節(jié)升降機(jī)構(gòu)上的手輪，使環(huán)形導(dǎo)線的下端線頭與銅片相距約2mm，用一個(gè)6V的蓄電池作為電源，用導(dǎo)線把電源的一個(gè)電極與環(huán)形導(dǎo)線上端的固定螺絲連接，再用導(dǎo)線把電源的另一個(gè)電極與升降桿上的銅片連接。

提起環(huán)形導(dǎo)線下端的小球，然后放開讓其自由下落，環(huán)形導(dǎo)線的下端便會(huì)撞擊銅片，并產(chǎn)生電流，可以看到環(huán)形導(dǎo)線上下振動(dòng)、感應(yīng)線圈上的LED斷續(xù)發(fā)光。

之所以上下振動(dòng)是因?yàn)楦飨噜彮h(huán)形導(dǎo)線中的電流方向相同，各自產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互吸引，使環(huán)形導(dǎo)線收縮，電路斷開。因電流消失，環(huán)形導(dǎo)線之間的相互作用消失，環(huán)形導(dǎo)線恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)，電路又被接通。這個(gè)過(guò)程反復(fù)出現(xiàn)，使環(huán)形導(dǎo)線形成上下振動(dòng)、電路交替通斷的現(xiàn)象。

LED斷續(xù)發(fā)光的原因是，環(huán)形導(dǎo)線中的電流交替通斷，激發(fā)出變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)穿過(guò)閉合的感應(yīng)線圈，在線圈中產(chǎn)生交變電流，并驅(qū)動(dòng)單向?qū)щ姷腖ED斷續(xù)發(fā)光。