自制互感實(shí)驗(yàn)演示教具
——教師的擴(kuò)音器會(huì)唱歌

謝志剛 劉新發(fā)

(長(zhǎng)沙麓山國(guó)際實(shí)驗(yàn)學(xué)校 湖南 長(zhǎng)沙 413000)

兩個(gè)線圈中并沒(méi)有導(dǎo)線相連，但當(dāng)一線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，它所產(chǎn)生的變化的磁場(chǎng)會(huì)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).這種現(xiàn)象叫做互感.互感現(xiàn)象是一種常見(jiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在生產(chǎn)、生活及實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面有許多應(yīng)用.它不僅發(fā)生于繞在同一鐵芯上的兩個(gè)線圈之間，而且也可以發(fā)生于任何兩個(gè)相互靠近的電路之間[1].

本實(shí)驗(yàn)裝置利用互感線圈將能量或信號(hào)從一個(gè)線圈傳遞給另一個(gè)線圈、將一電路中的音頻電信號(hào)通過(guò)兩個(gè)線圈的互感作用而傳遞到另一電路中去.實(shí)驗(yàn)器材就地取材，為學(xué)生所熟悉的耳機(jī)線、教師上課用的擴(kuò)音器、線圈等.通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示，聲音保真度高，學(xué)生感受到了互感現(xiàn)象的神秘，教師再結(jié)合互感原理對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行層層釋疑，牢牢地吸引了學(xué)生們的課堂注意力，教學(xué)效果非常不錯(cuò).

1 材料準(zhǔn)備與制作過(guò)程

1.1 材料準(zhǔn)備

耳機(jī)線2根，手機(jī)，教師上課用的擴(kuò)音器1個(gè)，線圈2個(gè).

1.2 制作過(guò)程

(1)制作互感初級(jí)線圈和信號(hào)數(shù)據(jù)線.

如圖1所示，選用匝數(shù)較少的線圈(大約100匝)作為初級(jí)線圈.將耳機(jī)線耳塞端剪斷，抽出兩金屬線，再將金屬線分別接在線圈上的兩接線柱上，此處接線不分正負(fù)極.此處數(shù)據(jù)線接口與手機(jī)相連.

圖1 制作初級(jí)線圈

(2)制作互感次級(jí)線圈和信號(hào)數(shù)據(jù)線

如圖2所示，選用匝數(shù)較多的線圈(大約600匝)作為次級(jí)線圈，數(shù)據(jù)線的制作與上面一致.此處數(shù)據(jù)線接口與教師上課用的擴(kuò)音器相連.

圖2 制作次級(jí)線圈

2 實(shí)驗(yàn)演示

2.1 演示互感現(xiàn)象

先用手機(jī)播放音樂(lè)，并讓學(xué)生觀察到聲音是從手機(jī)里發(fā)出來(lái)的.再把初級(jí)線圈(大約100匝)數(shù)據(jù)線接口插入手機(jī)耳塞端接口，把次級(jí)線圈(大約600匝)端數(shù)據(jù)線接口插入到教師用的擴(kuò)音器上.此時(shí)手機(jī)中的聲音消失，擴(kuò)音器中的音樂(lè)響了起來(lái).

2.2 影響擴(kuò)音器聲音大小的因素

(1)如圖3所示，改變線圈匝數(shù)聲音會(huì)發(fā)生大小變化，當(dāng)次級(jí)線圈匝數(shù)由大約600匝調(diào)為800匝時(shí)，擴(kuò)音器中的聲音變大.

圖3 增加次級(jí)線圈匝數(shù)

(2)如圖4所示，當(dāng)把初級(jí)線圈向次級(jí)線圈靠攏時(shí)，擴(kuò)音器中的聲音變大.

圖4 初級(jí)線圈靠近次級(jí)線圈

(3)如圖5所示，在初級(jí)或次級(jí)線圈中插入鐵芯時(shí)，擴(kuò)音器中的聲音變大.

圖5 線圈中插入鐵芯

3 原理及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

當(dāng)兩個(gè)線圈的電流可以互相提供磁通時(shí)，兩個(gè)線圈之間就存在互感耦合.一個(gè)回路的電流產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，而該磁場(chǎng)會(huì)影響第二個(gè)回路.兩個(gè)回路相互作用耦合的強(qiáng)弱用互感系數(shù)表征.互感系數(shù)與自感系數(shù)有相同的單位，與自感系數(shù)類似，互感系數(shù)的大小取決于兩個(gè)線圈的幾何形狀，大小，相對(duì)位置，各自的匝數(shù)以及它們周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率[2].

當(dāng)手機(jī)播放音樂(lè)時(shí)，把初級(jí)線圈端的數(shù)據(jù)線接入手機(jī)耳機(jī)接口，初級(jí)線圈中就有了隨聲音變化的電流，次級(jí)線圈會(huì)感應(yīng)出變化的電流，從而產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象.連接次級(jí)線圈的數(shù)據(jù)線將電信號(hào)輸送到擴(kuò)音器，擴(kuò)音器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成了聲音.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)增加次級(jí)線圈匝數(shù)、將兩線圈靠近、在線圈中加入鐵芯后會(huì)發(fā)現(xiàn)聲音響度變大，是因?yàn)榛ジ邢禂?shù)變大了.