新型可變相位旋轉(zhuǎn)磁場成因?qū)嶒炑芯?/h1>
2017-11-07 12:53:53陳歡慶
中學(xué)物理·高中 2017年9期
摘 要： 闡述了三相對稱交流和新型單相交流電動機可變相位旋轉(zhuǎn)磁場成因的科學(xué)機理，以及單相交流電動機實驗裝置的設(shè)計與實驗過程和方法.本裝置通過開關(guān)轉(zhuǎn)換將電容器容量大小進行變化，還將兩個線圈通過改變位置使得空間相位也能任意調(diào)節(jié)，從而達到兩組線圈中交流電相位的變化，并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的目的.實驗裝置可拆裝，具有結(jié)構(gòu)簡單、原理清晰、直觀性強、效果明顯等特點，使得復(fù)雜的“電磁感應(yīng)與旋轉(zhuǎn)磁場原理”的概念變得形象化，提高了學(xué)習(xí)者的興趣，是一種適合電工原理教學(xué)，創(chuàng)新的實驗探究儀器.
關(guān)鍵詞： 可變相位；旋轉(zhuǎn)磁場；成因；實驗
三相對稱交流電的產(chǎn)生，在物理科學(xué)或通用技術(shù)的電工學(xué)教學(xué)中，旋轉(zhuǎn)磁場原理的理解既是教學(xué)重點，也是教學(xué)難點之一.它是采用向量表示，其三相的相位差也是相差2π/3角度，而電動機的三相定子繞組是空間向量，三個繞組的電角度差也是各相差2π/3角度.當(dāng)時間向量通過對稱的三相空間向量后，其產(chǎn)生的磁場就變換成了時空向量，也就是說磁場向量是一個時空向量.從時空向量的定義我們會發(fā)現(xiàn)，不同的時間磁場向量在不同的位置，而且時間是連續(xù)變化的，向量幅值在空間的位置也是連續(xù)變化的.這就是三相交流電互成2π/3角度放置，可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，（發(fā)電機就是互成2π/3角度放置的轉(zhuǎn)子，在磁場中旋轉(zhuǎn)而得到三相交流電的，它們是互逆的），而置于其中的轉(zhuǎn)子在磁場中相對定子有相對運動，切割磁場形成旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)電動勢.轉(zhuǎn)速的大小由電動機極數(shù)和電源頻率而定.三相異步電動機就是根據(jù)這個原理制成的.因此，從原理分析，三相對稱交流繞組才會形成旋轉(zhuǎn)磁場.
異步電機中的旋轉(zhuǎn)磁動勢，是三個脈振磁動勢合成的結(jié)果，旋轉(zhuǎn)方向由電流相序決定，幅值是單相脈振磁動勢幅值的1.5倍，轉(zhuǎn)速=60×電源頻率/極對數(shù).而單相交流電繞組在氣隙中只會形成單個脈振磁動勢，單個脈振磁動勢不能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場.那么，像電風(fēng)扇等使用的是單相交流電源，怎樣才能旋轉(zhuǎn)磁場呢？
在實驗設(shè)計中，只要設(shè)置一個空間角度為π/2角度的兩個繞組，通過相位差為π/2角度的交變電流，可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢.新開發(fā)的單相交流電源供電的旋轉(zhuǎn)磁場實體裝置圖，如圖1所示；原理結(jié)構(gòu)線路圖如圖2所示；兩個繞組中經(jīng)傳感器所顯示的屏中交流電圖象，如圖3所示；電流磁場旋轉(zhuǎn)向量圖，如圖4所示.
1 單相交流電動機實驗裝置的旋轉(zhuǎn)原理剖析
單相交流電動機只有一個繞組，轉(zhuǎn)子是鼠籠式的.當(dāng)單相正弦電流通過定子繞組時，電動機就會產(chǎn)生一個交變磁場，這個磁場的強弱和方向隨時間作正弦規(guī)律變化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個磁場是交變脈動磁場.這個交變脈動磁場可分解為兩個以相同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向互為相反的旋轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時，這兩個旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生兩個大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩，使得合成轉(zhuǎn)矩為零，所以電動機無法旋轉(zhuǎn).當(dāng)我們用外力使電動機向某一方向旋轉(zhuǎn)時（如順時針方向旋轉(zhuǎn)），這時轉(zhuǎn)子與順時針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運動變小；轉(zhuǎn)子與逆時針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運動變大.這樣平衡就打破了，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩將不再是零，轉(zhuǎn)子將順著推動方向旋轉(zhuǎn)起來.
要使單相電動機能自動旋轉(zhuǎn)起來，我們可在定子中加上一個起動繞組，起動繞組與主繞組在空間上相差π/2角度，起動繞組要串接一個合適的電容，使得與主繞組的電流在相位上近似相差π/2角度，即所謂的分相原理.這樣兩個在時間上相差π/2角度的電流，通入兩個在空間上相差π/2角度的線圈繞組，將會在空間上產(chǎn)生（兩相）旋轉(zhuǎn)磁場.電流磁場旋轉(zhuǎn)向量圖，如圖4所示.從中發(fā)現(xiàn)：
第一步：當(dāng)單相交流電經(jīng)過電容器分相后分別進入在0π角度時，根據(jù)實際圖象分析，此時線圈繞組L2沒有電流，所產(chǎn)生的磁場為零，只有線圈繞組L1產(chǎn)生了磁場，磁場方向為π角度.根據(jù)通電線圈產(chǎn)生磁場的方向用的“右手定則”原理判定，其為-π角度，兩個線圈合成后的總磁場為-π角度.
第二步：當(dāng)單相交流電進入π/4角度時，線圈繞組L2所產(chǎn)生的磁場方向為3π/2角度.線圈繞組L1產(chǎn)生了磁場方向為π角度.兩個線圈合成后的總磁場為5π/4角度.
第三步：當(dāng)單相交流電進入π/2角度時，線圈繞組L2所產(chǎn)生的磁場方向為3π/2角度.線圈繞組L1沒有電流，所產(chǎn)生的磁場為0，只有線圈繞組L2產(chǎn)生了的磁場，方向為3π/2角度.兩個線圈合成后的總磁場為3π/2角度.
第四步：當(dāng)單相交流電進入3π/4角度時，線圈繞組L2所產(chǎn)生的磁場方向為3π/2角度.線圈繞組L1產(chǎn)生了磁場方向為0π角度.兩個線圈合成后的總磁場為7π/4角度.
第五步：當(dāng)單相交流電進入π角度時，線圈繞組L2沒有電流，所產(chǎn)生的磁場為零，只有線圈繞組L1產(chǎn)生了磁場方向為0π角度.兩個線圈合成后的總磁場為2π角度.
第六步：當(dāng)單相交流電進入5π/4角度時，線圈繞組L2所產(chǎn)生的磁場方向為π/2角度，線圈繞組L1產(chǎn)生了磁場方向為2π角度.兩個線圈合成后的總磁場為π/4角度.
第七步：當(dāng)單相交流電進入3π/2角度時，線圈繞組L2所產(chǎn)生的磁場方向為π/2角度，線圈繞組沒有電流，所產(chǎn)生的磁場為零，只有線圈繞組L2產(chǎn)生了的磁場，方向為π/2角度.兩個線圈合成后的總磁場為π/2角度.
第八步：當(dāng)單相交流電進入7π/4角度時，線圈繞組L2所產(chǎn)生的磁場方向為π/2角度，線圈繞組L1產(chǎn)生了磁場方向為π角度.兩個線圈合成后的總磁場為3π/4角度.
依次類推，兩個線圈合成后的總磁場又返回到π角度.開始第二周的旋轉(zhuǎn)運動.
在旋轉(zhuǎn)磁場作用下，轉(zhuǎn)子就能自動起動.起動后，待轉(zhuǎn)速升到一定量值時會繼續(xù)保持轉(zhuǎn)動.我們稱這種電動機為電容式單相電動機，要改變這種電動機的轉(zhuǎn)向，只要改變電容器串接的繞組位置就能實現(xiàn).endprint
2 實驗裝置的設(shè)計
本儀器如圖1和結(jié)構(gòu)圖2所示，它是利用兩個大小相同的線圈豎直并互成一定角度（可以是互成90°，大小可變的空間相位）的定子線圈，根據(jù)需要可以改變兩個線圈之間的夾角，在其中一個線圈中串聯(lián)接一個交流電容器，通過多個開關(guān)轉(zhuǎn)換，可以使電容器容量大小發(fā)生變化；調(diào)節(jié)兩個線圈位置使得空間相位改變，使兩組線圈內(nèi)所通過得交流電相位產(chǎn)生變化，進而達到兩個線圈產(chǎn)生的磁場能夠合成為旋轉(zhuǎn)磁場的目的，當(dāng)接上電源時，即在兩個線圈之間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場.這就是感應(yīng)式電動機的基本原理.兩個單相交流電的相位變化圖象可從傳感器顯示屏中觀察到（圖3），電流旋轉(zhuǎn)向量圖如圖4所示.
如果將馬蹄形磁鐵旋轉(zhuǎn)起來，其兩極之間也會形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)的磁場能引起處在旋轉(zhuǎn)磁場中的線圈框轉(zhuǎn)動.這是因為磁鐵轉(zhuǎn)動的時候，鋁框切割磁感線，產(chǎn)生感生電流，感生電流在磁場中受到安培力的作用，結(jié)果使鋁框受到一個跟磁場旋轉(zhuǎn)方向相同的力矩.在這個力矩的作用下，鋁框就隨著旋轉(zhuǎn)磁場一起轉(zhuǎn)動起來.
3 實驗裝置的特點及用途
3.1 實驗裝置特點
本儀器作為一種創(chuàng)新的物理實驗儀器，曾獲全國實驗設(shè)計評比一等獎.其特點是：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換開關(guān)可使電容器容量大小變化，兩個線圈的位置改變可使得空間相位也能任意調(diào)節(jié)，從而達到其兩組線圈內(nèi)通過的交流電相位變化的目的，以使兩個線圈產(chǎn)生為旋轉(zhuǎn)磁場；轉(zhuǎn)子設(shè)計成可拆裝式的，轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)體可以增減，具有結(jié)構(gòu)簡單、原理清楚、直觀性強、效果明顯、使用安全方便等特點.非常適合中學(xué)物理教學(xué).使得復(fù)雜的物理概念變得形象化；從而使同學(xué)們對物理科學(xué)產(chǎn)生濃厚的興趣.
3.2 演示實驗的項目
（1） 演示轉(zhuǎn)子回路導(dǎo)體變化的感應(yīng)電動機旋轉(zhuǎn)的工作原理；
（2） 演示絕緣體與導(dǎo)體式轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場中的效應(yīng)；
（3） 演示定子線圈中電流的變化引起旋轉(zhuǎn)磁場的變化；
（4） 演示電容器容量的變化引起相位差變化的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)；
（5） 演示金屬球、鋁圓筒、方形金屬盒在旋轉(zhuǎn)磁場中的運動；
（6）演示同步電動機的工作原理.
3.3 用途
本儀器主要用來演示“電磁感應(yīng)現(xiàn)象與轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場中運動原理”教學(xué)的難點問題，彌補目前物理學(xué)實驗中還沒有合適的儀器可供教學(xué)演示的不足.經(jīng)課堂實際使用，能大大方便教師的教學(xué).
4 實驗裝置的制作材料
本教具由直徑為160 mm、高為180mm 的絕緣方形框架，直徑為100 mm的空心金屬球體1個，直徑為100 mm、高為120mm的金屬圓筒和小鋸條16根，線徑為0.27-0.38mm的漆包線若干，木板（長×寬×高為220mm×220 mm×10mm）l塊，電容（100uF/50V）1個，單刀雙擲開關(guān)1個，螺釘、鐵片、小磁鐵及接線柱等.
5 實驗裝置的制作方法
（1）將線徑為0.27-0.38mm的漆包線分別繞制成兩個線圈，要求線圈繞制在150mm×160 mm的框架上，其匝數(shù)為500-800，并且兩個線圈的匝數(shù)相等.
（2）將繞制好的兩個線圈分別按圖1所示安裝.要求兩個線圈之間的夾角能在30—160°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，兩線圈的引出線及電容器的接線按圖2連接.
（3）在底板上安裝中心支桿，支桿的高度應(yīng)大于鼠籠、金屬圓筒等轉(zhuǎn)子的高度，并在合適的位置安裝接線柱.
（4）將薄金屬皮剪成寬為10mm、長為500mm的矩形轉(zhuǎn)子回路導(dǎo)體，并且可以拆裝式的.
6 實驗裝置的使用方法
（1）此電動機模型與家用電風(fēng)扇及洗衣機等的工作原理完全一樣.只是電機的定子和轉(zhuǎn)子缺少了鐵芯部分，并且是全敞開式的，便于學(xué)生觀察及實驗教學(xué).
（2）將兩個電流傳感器分別接入圖2中的兩個主副線圈中（圖5），將電流傳感器與電腦連接，根據(jù)需要可選擇使用攝影機顯示圖像（圖6）.
（3） 上述的絕緣支架、金屬球體、圓筒、鼠籠及大型永久磁針（物理演示實驗用）分別安放在兩個線圈之間的支針上時，它們就會轉(zhuǎn)動起來，其圖象如圖7和圖8所示，兩電流波形的相位差為π/4（45°）左右.
（4）若要改變轉(zhuǎn)動方向，只要撥動圖2中開關(guān)改變S的通斷位置，即調(diào)換L1和L2（主、副線圈）的兩個接線端，那么根據(jù)向量合成原理，其旋轉(zhuǎn)磁場的方向隨之改變，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向發(fā)生改變.即黃色波形1為容性電流波形，明顯看出其相位角超前于綠色波形2，相位差為π/4（45°）左右.也就是說綠色波形2落后于黃色波形1，從而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)磁場方向的反轉(zhuǎn).
（5）當(dāng)撥動電容器開關(guān)，其接入電容器的容量為5μF時，同時在顯示屏上立即就能看到如圖9所示圖象.因為其中容性線圈中的電流很小，只有主線圈中有電流通過，從而顯示出單個交流電波形，也無旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生，其轉(zhuǎn)子不會轉(zhuǎn)動.
（6）當(dāng)撥動電容器開關(guān)，其接入電容器的容量為1000μF時，同時在顯示屏上立即就能看到如圖10所示圖象.因為其中容性線圈中的電流很大，兩個主、副線圈中有交流電流通過，但其之間的相位差很小，兩個波形基本重疊，從而造成無旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生，其轉(zhuǎn)子也是不會轉(zhuǎn)動.
參考文獻：
[1]翟立原.創(chuàng)新之源——創(chuàng)造力培養(yǎng)活動方案精選[M].北京：科學(xué)出版社，2001年12月，206 頁.
[2]陳歡慶.旋轉(zhuǎn)磁場實驗儀[J].科技輔導(dǎo)員，2000年第5期第24頁.endprint
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關(guān)鍵詞： 可變相位；旋轉(zhuǎn)磁場；成因；實驗
三相對稱交流電的產(chǎn)生，在物理科學(xué)或通用技術(shù)的電工學(xué)教學(xué)中，旋轉(zhuǎn)磁場原理的理解既是教學(xué)重點，也是教學(xué)難點之一.它是采用向量表示，其三相的相位差也是相差2π/3角度，而電動機的三相定子繞組是空間向量，三個繞組的電角度差也是各相差2π/3角度.當(dāng)時間向量通過對稱的三相空間向量后，其產(chǎn)生的磁場就變換成了時空向量，也就是說磁場向量是一個時空向量.從時空向量的定義我們會發(fā)現(xiàn)，不同的時間磁場向量在不同的位置，而且時間是連續(xù)變化的，向量幅值在空間的位置也是連續(xù)變化的.這就是三相交流電互成2π/3角度放置，可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，（發(fā)電機就是互成2π/3角度放置的轉(zhuǎn)子，在磁場中旋轉(zhuǎn)而得到三相交流電的，它們是互逆的），而置于其中的轉(zhuǎn)子在磁場中相對定子有相對運動，切割磁場形成旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)電動勢.轉(zhuǎn)速的大小由電動機極數(shù)和電源頻率而定.三相異步電動機就是根據(jù)這個原理制成的.因此，從原理分析，三相對稱交流繞組才會形成旋轉(zhuǎn)磁場.
異步電機中的旋轉(zhuǎn)磁動勢，是三個脈振磁動勢合成的結(jié)果，旋轉(zhuǎn)方向由電流相序決定，幅值是單相脈振磁動勢幅值的1.5倍，轉(zhuǎn)速=60×電源頻率/極對數(shù).而單相交流電繞組在氣隙中只會形成單個脈振磁動勢，單個脈振磁動勢不能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場.那么，像電風(fēng)扇等使用的是單相交流電源，怎樣才能旋轉(zhuǎn)磁場呢？
在實驗設(shè)計中，只要設(shè)置一個空間角度為π/2角度的兩個繞組，通過相位差為π/2角度的交變電流，可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢.新開發(fā)的單相交流電源供電的旋轉(zhuǎn)磁場實體裝置圖，如圖1所示；原理結(jié)構(gòu)線路圖如圖2所示；兩個繞組中經(jīng)傳感器所顯示的屏中交流電圖象，如圖3所示；電流磁場旋轉(zhuǎn)向量圖，如圖4所示.
1 單相交流電動機實驗裝置的旋轉(zhuǎn)原理剖析
單相交流電動機只有一個繞組，轉(zhuǎn)子是鼠籠式的.當(dāng)單相正弦電流通過定子繞組時，電動機就會產(chǎn)生一個交變磁場，這個磁場的強弱和方向隨時間作正弦規(guī)律變化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個磁場是交變脈動磁場.這個交變脈動磁場可分解為兩個以相同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向互為相反的旋轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時，這兩個旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生兩個大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩，使得合成轉(zhuǎn)矩為零，所以電動機無法旋轉(zhuǎn).當(dāng)我們用外力使電動機向某一方向旋轉(zhuǎn)時（如順時針方向旋轉(zhuǎn)），這時轉(zhuǎn)子與順時針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運動變小；轉(zhuǎn)子與逆時針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運動變大.這樣平衡就打破了，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩將不再是零，轉(zhuǎn)子將順著推動方向旋轉(zhuǎn)起來.
要使單相電動機能自動旋轉(zhuǎn)起來，我們可在定子中加上一個起動繞組，起動繞組與主繞組在空間上相差π/2角度，起動繞組要串接一個合適的電容，使得與主繞組的電流在相位上近似相差π/2角度，即所謂的分相原理.這樣兩個在時間上相差π/2角度的電流，通入兩個在空間上相差π/2角度的線圈繞組，將會在空間上產(chǎn)生（兩相）旋轉(zhuǎn)磁場.電流磁場旋轉(zhuǎn)向量圖，如圖4所示.從中發(fā)現(xiàn)：
第一步：當(dāng)單相交流電經(jīng)過電容器分相后分別進入在0π角度時，根據(jù)實際圖象分析，此時線圈繞組L2沒有電流，所產(chǎn)生的磁場為零，只有線圈繞組L1產(chǎn)生了磁場，磁場方向為π角度.根據(jù)通電線圈產(chǎn)生磁場的方向用的“右手定則”原理判定，其為-π角度，兩個線圈合成后的總磁場為-π角度.
第二步：當(dāng)單相交流電進入π/4角度時，線圈繞組L2所產(chǎn)生的磁場方向為3π/2角度.線圈繞組L1產(chǎn)生了磁場方向為π角度.兩個線圈合成后的總磁場為5π/4角度.
第三步：當(dāng)單相交流電進入π/2角度時，線圈繞組L2所產(chǎn)生的磁場方向為3π/2角度.線圈繞組L1沒有電流，所產(chǎn)生的磁場為0，只有線圈繞組L2產(chǎn)生了的磁場，方向為3π/2角度.兩個線圈合成后的總磁場為3π/2角度.
第四步：當(dāng)單相交流電進入3π/4角度時，線圈繞組L2所產(chǎn)生的磁場方向為3π/2角度.線圈繞組L1產(chǎn)生了磁場方向為0π角度.兩個線圈合成后的總磁場為7π/4角度.
第五步：當(dāng)單相交流電進入π角度時，線圈繞組L2沒有電流，所產(chǎn)生的磁場為零，只有線圈繞組L1產(chǎn)生了磁場方向為0π角度.兩個線圈合成后的總磁場為2π角度.
第六步：當(dāng)單相交流電進入5π/4角度時，線圈繞組L2所產(chǎn)生的磁場方向為π/2角度，線圈繞組L1產(chǎn)生了磁場方向為2π角度.兩個線圈合成后的總磁場為π/4角度.
第七步：當(dāng)單相交流電進入3π/2角度時，線圈繞組L2所產(chǎn)生的磁場方向為π/2角度，線圈繞組沒有電流，所產(chǎn)生的磁場為零，只有線圈繞組L2產(chǎn)生了的磁場，方向為π/2角度.兩個線圈合成后的總磁場為π/2角度.
第八步：當(dāng)單相交流電進入7π/4角度時，線圈繞組L2所產(chǎn)生的磁場方向為π/2角度，線圈繞組L1產(chǎn)生了磁場方向為π角度.兩個線圈合成后的總磁場為3π/4角度.
依次類推，兩個線圈合成后的總磁場又返回到π角度.開始第二周的旋轉(zhuǎn)運動.
在旋轉(zhuǎn)磁場作用下，轉(zhuǎn)子就能自動起動.起動后，待轉(zhuǎn)速升到一定量值時會繼續(xù)保持轉(zhuǎn)動.我們稱這種電動機為電容式單相電動機，要改變這種電動機的轉(zhuǎn)向，只要改變電容器串接的繞組位置就能實現(xiàn).endprint
2 實驗裝置的設(shè)計
本儀器如圖1和結(jié)構(gòu)圖2所示，它是利用兩個大小相同的線圈豎直并互成一定角度（可以是互成90°，大小可變的空間相位）的定子線圈，根據(jù)需要可以改變兩個線圈之間的夾角，在其中一個線圈中串聯(lián)接一個交流電容器，通過多個開關(guān)轉(zhuǎn)換，可以使電容器容量大小發(fā)生變化；調(diào)節(jié)兩個線圈位置使得空間相位改變，使兩組線圈內(nèi)所通過得交流電相位產(chǎn)生變化，進而達到兩個線圈產(chǎn)生的磁場能夠合成為旋轉(zhuǎn)磁場的目的，當(dāng)接上電源時，即在兩個線圈之間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場.這就是感應(yīng)式電動機的基本原理.兩個單相交流電的相位變化圖象可從傳感器顯示屏中觀察到（圖3），電流旋轉(zhuǎn)向量圖如圖4所示.
如果將馬蹄形磁鐵旋轉(zhuǎn)起來，其兩極之間也會形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)的磁場能引起處在旋轉(zhuǎn)磁場中的線圈框轉(zhuǎn)動.這是因為磁鐵轉(zhuǎn)動的時候，鋁框切割磁感線，產(chǎn)生感生電流，感生電流在磁場中受到安培力的作用，結(jié)果使鋁框受到一個跟磁場旋轉(zhuǎn)方向相同的力矩.在這個力矩的作用下，鋁框就隨著旋轉(zhuǎn)磁場一起轉(zhuǎn)動起來.
3 實驗裝置的特點及用途
3.1 實驗裝置特點
本儀器作為一種創(chuàng)新的物理實驗儀器，曾獲全國實驗設(shè)計評比一等獎.其特點是：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換開關(guān)可使電容器容量大小變化，兩個線圈的位置改變可使得空間相位也能任意調(diào)節(jié)，從而達到其兩組線圈內(nèi)通過的交流電相位變化的目的，以使兩個線圈產(chǎn)生為旋轉(zhuǎn)磁場；轉(zhuǎn)子設(shè)計成可拆裝式的，轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)體可以增減，具有結(jié)構(gòu)簡單、原理清楚、直觀性強、效果明顯、使用安全方便等特點.非常適合中學(xué)物理教學(xué).使得復(fù)雜的物理概念變得形象化；從而使同學(xué)們對物理科學(xué)產(chǎn)生濃厚的興趣.
3.2 演示實驗的項目
（1） 演示轉(zhuǎn)子回路導(dǎo)體變化的感應(yīng)電動機旋轉(zhuǎn)的工作原理；
（2） 演示絕緣體與導(dǎo)體式轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場中的效應(yīng)；
（3） 演示定子線圈中電流的變化引起旋轉(zhuǎn)磁場的變化；
（4） 演示電容器容量的變化引起相位差變化的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)；
（5） 演示金屬球、鋁圓筒、方形金屬盒在旋轉(zhuǎn)磁場中的運動；
（6）演示同步電動機的工作原理.
3.3 用途
本儀器主要用來演示“電磁感應(yīng)現(xiàn)象與轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場中運動原理”教學(xué)的難點問題，彌補目前物理學(xué)實驗中還沒有合適的儀器可供教學(xué)演示的不足.經(jīng)課堂實際使用，能大大方便教師的教學(xué).
4 實驗裝置的制作材料
本教具由直徑為160 mm、高為180mm 的絕緣方形框架，直徑為100 mm的空心金屬球體1個，直徑為100 mm、高為120mm的金屬圓筒和小鋸條16根，線徑為0.27-0.38mm的漆包線若干，木板（長×寬×高為220mm×220 mm×10mm）l塊，電容（100uF/50V）1個，單刀雙擲開關(guān)1個，螺釘、鐵片、小磁鐵及接線柱等.
5 實驗裝置的制作方法
（1）將線徑為0.27-0.38mm的漆包線分別繞制成兩個線圈，要求線圈繞制在150mm×160 mm的框架上，其匝數(shù)為500-800，并且兩個線圈的匝數(shù)相等.
（2）將繞制好的兩個線圈分別按圖1所示安裝.要求兩個線圈之間的夾角能在30—160°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，兩線圈的引出線及電容器的接線按圖2連接.
（3）在底板上安裝中心支桿，支桿的高度應(yīng)大于鼠籠、金屬圓筒等轉(zhuǎn)子的高度，并在合適的位置安裝接線柱.
（4）將薄金屬皮剪成寬為10mm、長為500mm的矩形轉(zhuǎn)子回路導(dǎo)體，并且可以拆裝式的.
6 實驗裝置的使用方法
（1）此電動機模型與家用電風(fēng)扇及洗衣機等的工作原理完全一樣.只是電機的定子和轉(zhuǎn)子缺少了鐵芯部分，并且是全敞開式的，便于學(xué)生觀察及實驗教學(xué).
（2）將兩個電流傳感器分別接入圖2中的兩個主副線圈中（圖5），將電流傳感器與電腦連接，根據(jù)需要可選擇使用攝影機顯示圖像（圖6）.
（3） 上述的絕緣支架、金屬球體、圓筒、鼠籠及大型永久磁針（物理演示實驗用）分別安放在兩個線圈之間的支針上時，它們就會轉(zhuǎn)動起來，其圖象如圖7和圖8所示，兩電流波形的相位差為π/4（45°）左右.
（4）若要改變轉(zhuǎn)動方向，只要撥動圖2中開關(guān)改變S的通斷位置，即調(diào)換L1和L2（主、副線圈）的兩個接線端，那么根據(jù)向量合成原理，其旋轉(zhuǎn)磁場的方向隨之改變，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向發(fā)生改變.即黃色波形1為容性電流波形，明顯看出其相位角超前于綠色波形2，相位差為π/4（45°）左右.也就是說綠色波形2落后于黃色波形1，從而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)磁場方向的反轉(zhuǎn).
（5）當(dāng)撥動電容器開關(guān)，其接入電容器的容量為5μF時，同時在顯示屏上立即就能看到如圖9所示圖象.因為其中容性線圈中的電流很小，只有主線圈中有電流通過，從而顯示出單個交流電波形，也無旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生，其轉(zhuǎn)子不會轉(zhuǎn)動.
（6）當(dāng)撥動電容器開關(guān)，其接入電容器的容量為1000μF時，同時在顯示屏上立即就能看到如圖10所示圖象.因為其中容性線圈中的電流很大，兩個主、副線圈中有交流電流通過，但其之間的相位差很小，兩個波形基本重疊，從而造成無旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生，其轉(zhuǎn)子也是不會轉(zhuǎn)動.
參考文獻：
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[2]陳歡慶.旋轉(zhuǎn)磁場實驗儀[J].科技輔導(dǎo)員，2000年第5期第24頁.endprint
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