CN105632301A - 法拉第电磁感应定律分析探究演示仪 - Google Patents

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黄军
曹彪
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Abstract

本发明公开了一种法拉第电磁感应定律分析探究演示仪，有一带底座（1）的立板（2），一调速电机（6）安装在立板的背面，调速电机的轴端穿过立板上的孔伸出到立板的前面，一长条形木块（14）的中心穿过电机轴端并固定，木块的两端分别对称的开有多个圆孔，每一圆孔内安装强力纽扣磁铁（15），有多个抽头的测量用电磁线圈（4）和一组演示线圈（12）安装在由长形木块沿中心旋转其端部在立板上所形成的环形圈内，一个电压传感器与测量用电磁线圈的多个抽头相连，电压传感器与一个数据处理装置相连。本发明形象可靠地演示了法拉第电磁感应定律。

Description

法拉第电磁感应定律分析探究演示仪
技术领域
本发明一般涉及一种物理实验装置，特别是定量探究和演示法拉第电磁感应定律所用的实验装置。
背景技术
在中学物理中电学是很重要的一大部分，而法拉第电磁感应定律则是中学物理电学部分中一个很重要的电学定律，法拉第电磁感应的内容是：当回路的磁通量发生变化时，回路中感应电动势的大小和穿过回路的磁通量变化率成正比，如果是多匝线圈则为。以往在教学过程中，由于没有专门的设备，教师们往往只是对照课本的图例来进行讲解，由于没有形象的演示，学生对于法拉第电磁感应定律的印象不深刻，效果较差。即使有实验演示，也往往都是使用条形磁铁、线圈和检流计按照图1所示的方法来完成，只能粗略的进行定性演示，无法证明电动势的大小正比于磁通量变化量和时间的比值并且与电磁感应线圈的匝数成正比。
现有的法拉第电磁感应定律定量分析仪器只能定性，或者是半定量粗略地研究法拉第电磁感应定律。专利号为200720118739.8的实用新型专利为了改变穿过线圈的磁感应强度采取的做法是利用一个传动带带动永久磁铁穿过线圈，通过对传动轮速度的控制，来改变永磁体以不同的速度穿过线圈，产生不同的感应电动势，完成对法拉第电磁感应定律的定量探究。这样的设计存在的问题是皮带传动的传动轮是圆形的，而永磁体是方形的，永磁体在带轮上的安装固定存在问题，速度快了皮带和永磁体就会从带轮上脱落，另外该发明只能改变永磁体切割线圈的速度，无法改变永磁体产生的磁感应强度的大小，仪器存在明显不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有法拉第电磁感应定律的装置不能很好演示和精确定量探究分析，只能进行定性或半定量分析的缺点，提供一个法拉第电磁感应定律定量分析探究和演示装置，所述装置不但能进行更好的演示而且还可完成定量分析和探究。
为实现上述目的，本发明的方案为：一种法拉弟电磁感应定律分析探究演示仪，其特别之处在于：有一带底座的立板，一调速电机安装在立板的背面，调速电机的轴端穿过立板上的孔伸出到立板的前面，一长条形木块的中心穿过电机轴端并固定，木块的两端分别对称的开有多个圆孔，每一圆孔内安装强力纽扣磁铁，有多个抽头的测量用电磁线圈和一组演示线圈安装在由长形木块沿中心旋转其端部在立板上所形成的环形圈内，一个电压传感器与测量用电磁线圈的多个抽头相连，电压传感器与一个数据处理装置相连。
采用上述方案的实验装置通过调速电机带动木块旋转，木块的两端安装有强力纽扣磁铁，通过改变电机的转速可改变磁体切割线圈的速度，通过改变木块上磁铁安放数量的多少可改变磁体切割线圈的磁感应强度，通过改变测量线圈的匝数抽头可改变线圈的匝数，通过电压传感器测量不同情况下测量线圈中产生的感应电动势的大小，从而完成法拉第电磁感应定律定量分析探究，通过对测量数据进行处理，可归纳总结得出法拉第电磁感应定律的数学表达式；通过在演示线圈中接入反向并联的两组发光二极管并观察其发光情况可演示线圈切割磁场产生感应电动势的电磁感应现象，形象而可靠地演示了法拉第电磁感应定律，从而实现了本发明的目的。
下面结合图示及实施例对方案作更详细的说明。
附图说明
图1为已有技术的法拉第电磁感应定律演示仪；
图2为法拉第电磁感应定量分析探究演示仪的主视图；
图3为图2中的A-A剖视图；
图4为图2中测量线圈抽头接线图；
图5为图2中测量线圈结构图；
图6为图2中演示线圈与红、绿发光二极管的接线图；
图7为线圈400匝，3块磁铁，改变电机转速使Δt改变时得图；
图8为线圈400匝，电机电压10V，改变磁铁个数使磁场强度B改变得到的图；
图9为3块磁铁，电机电压为10伏，改变测量线圈的匝数使N改变得到图。
具体实施方式
如图2及图3所示，仪器有一底座1，底座1上安装一竖直立板2，在立板2的后面放置可调稳压直流电源3，在立板上方中心位置安装直流调速电机6,电机轴上安装旋转长条形木块14,木块的两端按附图2对称钻六个圆孔用来安放强力纽扣磁铁15，木块上可分别安装1－3块磁铁，使切割线圈磁感应强度的大小可随安装磁铁的个数按比例依次增大或减小。为了保证磁铁数量改变Δφ能按正比例增加，测量用电磁线圈4的形状应按附图5的样式做成薄的矩形状。演示线圈12按附图2的设计均匀分布在竖直立板上，圆周半径为木块上中间纽扣磁铁的中心到圆心的距离，线圈绕成圆形状，红、绿发光二极管11沿该圆周方向均匀安装，二极管与演示线圈接线方式如图所示。演示用电磁线圈由两组互为反向的发光二极管并接入演示线圈的两端。为了提高演示的观赏效果在旋转木块的外围再安装一个装饰圆环13。朗威数据采集系统的电压传感器16两根测量线可与测量线圈的不同抽头连接柱10连接，测量所得的数据可通过数据采集系统的数据接收端口把测得的数据直接显示出来或接入计算机由电脑的显示屏把测量所得的电压随时间变化的曲线显示出来，通过计算机中的数据处理软件完成数据采集和测量任务。根据直流电机的调速公式n=（U－IR）/KФ，调速电机的转速由调压开关7通过调节电机电压实现，调速电机的型号为XD-3420,额定电压选12V，电机的调压范围为5—30V，电机的空载转速选2000转/分。调压器的型号为KPS303D:0-30V/3A。演示或测量时要改变的电机旋转方向通过直流电机正反转开关9实现。绕制线圈的漆包线线径为0.2mm2。按照上面的思路利用设计的法拉第电磁感应定量分析探究演示仪样机进行实验测得的数据如下：
1、线圈的匝数、面积和磁感应强度（磁铁3个）一定时探究电磁线圈以不同的速度切割磁感线时Δt与关系。
（1）n=400匝，纽扣磁铁3个，电机加6V电压，通过调压改变电机转速，使磁铁切割线圈的Δt改变，测量磁感应线圈中产生感应电动势E。
（2）n=400匝，纽扣磁铁3个，电机加8V电压，通过调压改变电机转速，使磁铁切割线圈的Δt改变，测量磁感应线圈中产生感应电动势E。
（3）n=400匝，纽扣磁铁3个，电机加10V电压，通过调压改变电机转速，使磁铁切割线圈的Δt改变，测量磁感应线圈中产生感应电动势E。
根据表1的数据作关系图，图像如图7。从图中可以看出与1/Δt成正比
2、线圈的匝数、截面不变，电机电压10V时，改变磁铁个数，探究磁通量ΔФ变化时电磁线圈产生的感应电动势e的变化规律。
（1）n=400匝，电机电压10V，纽扣磁铁1个，改变ΔФ测量感应电动势E。
（2）n=400匝，电机电压10V，纽扣磁铁2个，改变ΔФ测量感应电动势E。
n=400匝，电机电压10V，纽扣磁铁3个，改变ΔФ测量感应电动势E。
根据表2的数据作关系图，图像如图8所示，从图中可以看出与磁铁个数即与ΔФ成正比。
3、当磁铁个数为3个，线圈截面不变，电机电压10V，改变线圈匝数N，探究N与电磁线圈产生的感应电动势e关系，测得的实验数据如表3所示。
根据表3的数据作关系图，图像如图9所示，从图中可以看出与感应线圈的匝数N成正比。
通过控制变量法，依次改变线圈的匝数N，磁通量的大小ΔФ，磁场切割线圈的Δt，分别探究e与三者之间的定量关系，通过电压传感器接收数据，通过计算机分析数据，通过朗威数据处理软件或计算机的excel软件作图，可推导得出e与n成正比，e与ΔФ成正比，e与1/Δt成正比，最终得出法拉第电磁感应定律的数学表达式。
进行演示时为了观察磁场切割感应线圈时感应线圈中有感应电动势产生，采取的技术方案是将红绿发光二极管反向并联后再与演示感应线圈串联，当磁铁靠近线圈时红光二极管发光，当磁铁离开线圈时绿光二极管发光，改变电机的转速，发光二极管的频闪速度也跟着改变。如果将电机反转，观察到的实验现象与正传刚好相反。通过上面的设计实现了发明的目的。
上述附图2、3中，其余的标号为：5为挡圈，8为电源总开关，12为演示用电磁线圈，17为显示器。

Claims (5)

1.一种法拉第电磁感应定律分析探究演示仪，其特征在于：有一带底座（1）的立板（2），一调速电机（6）安装在立板的背面，调速电机的轴端穿过立板上的孔伸出到立板的前面，一长条形木块（14）的中心穿过电机轴端并固定，木块的两端分别对称的开有多个圆孔，每一圆孔内安装强力纽扣磁铁（15），有多个抽头的测量用电磁线圈（4）和一组演示线圈（12）安装在由长形木块沿中心旋转其端部在立板上所形成的环形圈内，一个电压传感器与测量用电磁线圈的多个抽头相连，电压传感器与一个数据处理装置相连。
2.根据权利要求1所述的一种法拉第电磁感应定律分析探究演示仪，其特征在于：木块的两端对称的钻六个圆孔用来安放强力纽扣磁铁（15）。
3.根据权利要求1所述的一种法拉第电磁感应定律分析探究演示仪，其特征在于：测量用电磁线圈（4）做成薄的矩形状。
4.根据权利要求1所述的一种法拉第电磁感应定律分析探究演示仪，其特征在于：演示用电磁线圈（12）与两组互为反向的发光二极管并联接入演示线圈的两端。
5.根据权利要求1所述的一种法拉第电磁感应定律分析探究演示仪，其特征在于：电压传感器（16）与测量线圈（4）的不同抽头连接柱（10）连接，测量的数据可通过数据采集系统的数据接收端口把测量所得的数据直接由传感器显示或接入计算机由电脑显示感应电动势随时间变化的曲线。
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