CN107358849A - 楞次定律、法拉第电磁感应定律分析演示仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种楞次定律、法拉第电磁感应定律分析演示仪，有一底板（5），底板上安装有一水平有机玻璃管（10），管外固定有一个有多个抽头的电磁感应线圈（12），管内有一能自由滑动的圆形磁铁盒（14），盒中安放不同型号的圆柱形磁铁，在有机玻璃管的后面，一直流调速电机（13）安装在底板上，牵引绳（11）在电机轴上缠绕一圈后通过四个定滑轮与磁铁盒连接，有多个抽头的电磁线圈（12）一路与测量接线柱连接，另一路和一组反向并联的发光二极管连接，一个电压传感器与测量接线柱的多个抽头相连，电压传感器与一个数据处理装置相连。本实验装置形象而可靠地演示楞次定律、法拉第电磁感应定律，使学生容易接受。

Description

楞次定律、法拉第电磁感应定律分析演示仪

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楞次定律，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，而楞次定律，法拉第电磁感应定律则是中学物理电学部分中两个很重要的电学定律，楞次定律的内容是：闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻碍引起感应电流的磁通量的变化；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，即e=ΔΦ/Δt，如果是多匝线圈则为e=nΔΦ/Δt。以往在教学过程中，由于没有专门的实验设备，对于楞次定律和法拉第电磁感应定律教师们往往只是对照课本的图例来进行分析和讲解，由于没有形象的演示，学生对于楞次定律和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、线圈和检流计按照教材所示的方法来完成，只能粗略的进行定性演示，对于法拉第电磁感应定律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201020197743.X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在一铁棒上缠绕漆包线，通过改变线圈中的电流大小改变磁感应强度的大小，通过改变铁棒在竖直长直管中自由下落的高度改变磁场切割线圈的速度，通过抽头来改变线圈的匝数，从而使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由于管子的高度有限，铁棒在竖直长直管中自由下落的时间很短，即使通过传感器来进行测量也只能测到一组数据。另外该发明只能对法拉第电磁感应定律进行分析演示不能对楞次定律进行演示，仪器用途单一存在明显不足。

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，同时还可对楞次定律进行分析和演示，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：一种楞次定律、法拉弟电磁感应定律分析演示仪，其特征在于：有一底板，底板上安装有一水平有机玻璃管，管外固定有一个有多个抽头的电磁感应线圈，管内有一能自由滑动的圆形磁铁盒，盒中安放不同型号的圆柱形磁铁，在有机玻璃管的后面，一直流调速电机安装在底板上，牵引绳在电机轴上缠绕一圈后通过四个定滑轮与磁铁盒连接，有多个抽头的电磁线圈一路与测量接线柱连接，另一路和一组反向并联的发光二极管连接，一个电压传感器与测量接线柱的多个抽头相连，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是通过直流调速电机带动圆筒形磁铁盒在有机玻璃管中作往复运动以便线圈反复切割磁场产生感应电动势，通过电压传感器能测出很多组数据。通过改变电机的转速可改变磁体切割线圈的速度，通过改变磁铁盒中磁铁的大小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，通过观察二极管的发光情况可分析磁铁进入和离开电磁感应线圈时线圈中感应电流的方向从而完成楞次定律的分析和演示。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e=nΔΦ/Δt；通过在电磁感应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定性演示线圈切割磁场产生感应电动势的大小和方向，实验装置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为楞次定律、法拉第电磁感应定律分析演示仪结构图；

图2为图1中测量线圈抽头接线图；

图3为图1中演示线圈与红、绿发光二极管的接线图；

图4为图1中直流调速电机自动往返控制线路图；

图5为线圈2000匝，中号磁铁，改变电机电压使电机转速改变时得到的V-E图；

图6为线圈2000匝，电机电压6V，改变磁铁大小使磁场强度B改变得到的B-E图；

图7为中型磁铁，电机电压为6伏，改变测量线圈的匝数使N改变得到N-E图。

具体实施方式

如图1所示，仪器有一底板5，底板5上安装一水平有机玻璃管10，在水平有机玻璃管10中间位置的外面安放有一带抽头的电磁感应线圈12，在水平有机玻璃管的里面放置一个内部装有磁铁的磁铁盒14，磁铁盒可在有机玻璃管中自由滑动，实验时可对磁铁盒进行更换以改变磁感应强度B的大小。在水平有机玻璃管后面的底板上安装一直流调速电机13，电机轴上安装上下两个环形挡片保证磁铁盒的牵引绳在电机轴上运动时不滑出。底板的两端对称的安装两个支架6，在支架6的后方安装四个定滑轮9，磁铁盒牵引绳11跨个定滑轮的滑槽后与直流调速电机13的轴缠绕一圈后与磁铁盒连在一起，当直流电机正反转时就可通过牵引绳带动磁铁盒在有机玻璃管中作往复运动进而使磁铁往复穿过电磁感应线圈使线圈不断切割磁场产生大小和方向都随时间变化的感应电流和感应电动势。为了使磁铁盒能在有机玻璃管中不停地作往复运动，仪器在支架6的上面安装有2个柱塞式位置开关8，由于位置开关的操动头是金属材料与磁铁接触会被磁住，因此在使用时必须对其改装，仪器采用塑料管来替代金属头作位置开关的操动头。为了改变线圈切割磁场的大小，磁铁盒共有3个，两端均做有挂钩，方便实验时更换。磁铁盒中分别安装大、中、小三种不同型号的磁铁，使切割线圈的磁感应强度得到改变。电磁感应线圈12绕成圆形状固定在有机玻璃管10的外面，线圈有3个抽头分别与测量接线柱3连接，另外有机玻璃管10的两端 上部有开口，方便更换磁铁盒14。3组红、绿反向并联的发光二极管1通过开关分别与不同的线圈抽头相连并均匀安装在底板5上，二极管与线圈接线方式如图3所示。朗威数据采集系统的电压传感器两根测量线可与测量线圈的不同抽头接线柱3连接，测量所得的数据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）/KΦ，演示或测量时要改变的电机旋转方向通过底板5上的正反转控制按钮4实现对直流电机正反转的控制。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楞次定律、法拉第电磁感应定量分析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（中型磁铁）一定时探究电磁线圈以不同的速度切割磁感线时Δt与E关系。

（1）n=2000匝，中型磁铁，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=2000匝，中型磁铁，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=2000匝，中型磁铁，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1/Δt-E关系图，图像如图5。从图中可以看出E与1/Δt成正比。

2、线圈的匝数、截面不变，电机电压6V时，改变磁铁大小，探究磁通量ΔΦ变化时电磁线圈产生的感应电动势e的变化规律。

（1）n=2000匝，电机电压6V，小号磁铁1个，改变ΔΦ测量感应电动势E。

（2）n=2000匝，电机电压6V，中号磁铁1个，改变ΔΦ测量感应电动势E。

（3）n=2000匝，电机电压6V，大号磁铁1个，改变ΔΦ测量感应电动势E。

根据表2的数据作B-E关系图，图像如图6所示，从图中可以看出E与磁铁B即与ΔΦ成正比。

3、当磁铁为中号，线圈截面不变，电机电压6V，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N-E关系图，图像如图7所示，从图中可以看出E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ΔΦ，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软件进行作图，可推导得出e与n成正比，e与ΔΦ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e=nΔΦ/Δt。

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感应线圈串联，当磁铁盒靠近线圈时红光二极管发光，当磁铁盒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和亮度也跟着改变。如果将电机反转，观察到的实验现象与正传刚好相反。如果电机做往复运动则红、绿发光二极管就会不停地交替闪烁。通过上面的设计实现了发明的目的。

上述附图2中，其余的标号为：2为正反转控制按钮，7为交流继电器，15为管卡。

Claims (4)

1.一种楞次定律、法拉第电磁感应定律分析演示仪，其特征在于：有一底板（5），底板上安装有一水平有机玻璃管（10），管外固定有一个有多个抽头的电磁感应线圈（12），管内有一能自由滑动的圆形磁铁盒（14），盒中安放不同型号的圆柱形磁铁，在有机玻璃管的后面，一直流调速电机（13）安装在底板上，牵引绳（11）在电机轴上缠绕一圈后通过四个定滑轮与磁铁盒连接，有多个抽头的电磁线圈（12）一路与测量接线柱连接，另一路和一组反向并联的发光二极管连接，一个电压传感器与测量接线柱的多个抽头相连，电压传感器与一个数据处理装置相连。

2.根据权利要求1所述的一种楞次定律、法拉第电磁感应定律分析演示仪，其特征在于：水平有机玻璃管（10）的两端上部有开口方便更换磁铁盒（14），圆柱形磁铁盒在电机带动下在水平有机玻璃管（10）中作往复运动。

3.根据权利要求1所述的一种楞次定律、法拉第电磁感应定律分析演示仪，其特征在于：电磁线圈（12）通过抽头与三组互为反向并联的发光二极管连接。

4.根据权利要求1所述的一种楞次定律、法拉第电磁感应定律分析演示仪，其特征在于：电压传感器与电磁感应线圈的不同抽头与连接柱（3）连接，测量的数据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。