新型電磁感應現象綜合演示平臺

王立剛

（山東理工大學物理與光電工程學院，山東淄博，255000）

1 研究背景及意義

電磁感應現象是電磁學中最重大的發現之一，它顯示了電、磁現象之間的相互聯系和轉化，對其本質的深入研究所揭示的電、磁場之間的聯系對麥克斯韋電磁場理論的建立具有重大意義。電磁感應現象在電工技術、電子技術以及電磁測量等方面都有廣泛的應用。

電磁感應現象是電磁場理論中非常重要又比較抽象的核心內容，也是電類工程技術人員在工程實際中經常遇到的現象。在中學生以及本科生相關課程中開設“電磁感應現象綜合演示實驗”，可以形象、生動地再現這一現象，使學生了解電磁感應現象及其在工程實際中的應用，從而把基礎理論知識和工程實際問題聯系起來。開設這一實驗還能引導學生從觀測的現象中思考和發現問題，進一步做到分析和解決問題，從而把知識教育和能力培養結合起來。

電磁感應現象演示器是一種物理教學演示儀器。為了形象、直觀地再現電磁感應現象，人們基于不同理念設計了很多種演示儀器。在物理教學中，為了直觀形象地說明自感、互感等現象，通常采用電感線圈和白熾燈泡來演示實驗。這種演示電路的缺點是燈泡由暗變亮或由亮變暗的過渡時間太短且燈泡容易損壞；如果感應電流太小，電磁感應現象較難觀測到。本文介紹的“電磁感應現象綜合演示平臺”，采用放大器和發光二極管的發光來演示電磁感應、互感等現象，實驗效果較好。本平臺已獲國家實用新型專利，專利號：ZL.201921218659.9。

2 法拉第電磁感應定律的演示

在中學物理選修教材3-2 中講述“法拉第電磁感應定律”是這樣定義的：如果時刻t1穿過閉合電路的磁通量是Φ1，時刻t2穿過閉合電路的磁通量Φ2，則在時間Δt=t2?t1，磁通量的變化量為ΔΦ=Φ2?Φ1，磁通量的變化率就是用E 表示閉合電路中的感應電動勢，那么法拉第電磁感應定律就可以表示為E=。閉合電路常常是一個匝數為N的線圈串聯，因此整個線圈中的感應電動勢是單匝線圈的N倍，即E=

■2.1 傳統演示

將條形磁鐵迅速插入或拔出線圈，用檢流計或微安表檢測感應電流時?；蛴煤练頊y量感應電動勢，觀察表針的擺動。優點是形象直觀，缺點是將永磁棒從線圈中迅速插拔時，微安表指針容易打彎，并且只能近距離觀察。

圖1 傳統演示儀器

■2.2 利用發光二極管演示

現用反并聯相接的兩個發光二極管作為感應電動勢的負載（見圖2 原理電路），則發光二極管的兩端不論哪一端的電位高，總有一個處于正向，另一個處于反向。發光二極管，只有在加上正向電壓時才會發光。因此，條形永磁鐵插人線圈時使一個發光二極管發光，拔出時會使另一個發光。這個方法原理正確，但實際感應電動勢（幾～幾百mV）、感應電流（幾十～幾百μA）都較小不足以使發光二極管發光（導通電壓約為2V，導通電流幾～十幾mA）。故這個電路實際不能應用。

圖2 原理電路圖

■2.3 利用放大技術與發光二極管演示

本設計的演示是將條形磁鐵插入或拔出線圈時，線圈兩端的感應電動勢（電壓）視為一對極性相反的信號作為放大電路的輸入信號，經放大后驅動發光二極管發光。即發光二極管亮表明放大器有信號輸入，即條形磁鐵插入或拔出線圈時在線圈兩端產生了感應電動勢。系統組成框圖如圖3 所示。

圖3 系統組成框圖

該電路的設計原理：保證條形磁鐵插入或拔出線圈時僅有一個發光二極管亮，不得同時亮，且工作要穩定可靠。故需要兩個互補放大器分別驅動兩只發光二極管，由于兩個電路輸入都接實驗線圈兩端故加的是同一個感應電動勢作為輸入電壓。故條形磁鐵插入或拔出時兩放大管T1、T2的工作狀態相反（一個導通，另一個截止）才行。故放大管分別采用NPN 管（9013）、PNP 管（8550），VCC采用3V 電源供電（兩節普通電池串聯即可）。電路如圖4 所示。

圖4 演示應用電路圖

靜態時，T1、T2均截止，兩個LED 均不亮，將條形磁鐵迅速插入或拔出線圈，面板上的發光二極管就隨之閃亮，觀察哪個燈先亮，哪個后亮。若燈亮時間太短，可增大耦合電容C1、C2的容量，本測試選用容量100μF 的電解電容器。

3 互感現象的演示

互感原理：由兩個鄰近的線圈構成的耦合電感線圈，當線圈I 通以電流i1時，產生的磁通為Φ11，由于線圈II 鄰近線圈I，因此磁通Φ11的一部分或全部將與線圈II 交鏈，根據法拉第電磁感應定律，在線圈II 中產生的互感電動勢為，其中M 為互感系數。

方法1：用電源變壓器接通市電，將電感線圈（可用日光燈的鎮流器的線圈）直接置于變壓器的鐵心上，此時電源變壓器初級線圈產生的磁通將穿過電感線圈并在線圈兩端產生互感電動勢（較弱），經放大后驅動LED 發光。放大器及LED 顯示采用上面的電路即可，系統組成框圖見圖5。演示電路如圖6 所示，Tr1為電源變壓器，L1為電感線圈。

圖5 互感現象系統組成框圖

圖6 互感現象演示電路圖

方法2：將變壓器線圈接通市電，將電感鎮流器的矽鋼片柱豎起，則在矽鋼片中激發出交變磁場，把另一個線圈（上面演示所用線圈即可）套在矽鋼片上，根據法拉第電磁感應定律，則在該線圈兩端產生互感電動勢（較弱），經放大后驅動LED 發光。系統實物圖見圖7。

圖7 系統實物圖

4 結語

采用傳統演示與現代電子技術的結合，借助放大電路及發光二極管的發光來直觀演示電磁感應現象；互感現象的演示巧妙地利用電源變壓器以及日光燈的鎮流器（可單獨利用其線圈，也可單獨利用其鐵心（矽鋼片柱））。具有原創性，且整體操作起來簡單方便，實驗現象明顯，實驗結果也比較可靠。避免用傳統的檢流計或微安表檢測電流時指針容易打彎的缺點。對感應電動勢進行放大處理時，既要考慮靜態LED 不亮又要兼顧導通只有一只LED 亮且穩定可靠，給電路設計調試帶來一定麻煩，該平臺設計思路清晰，制作成本低（電路板僅幾元），性價比高，實際工作可靠。利用該實驗裝置進行實驗探究，可以增強學生的動手操作能力，培養學生的科學探究能力，也能讓學生在簡單的操作中思考實驗儀器的設計理念，感受創新思想，進而有效地激發學生的科學思維，滲透學生的科學態度與責任意識。該平臺可應用于中學物理和大學物理的電磁感應現象的課堂演示。