CN204102412U - 一种多用自感互感演示器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多用自感互感演示器，包括底板，竖直板，电源，变压器，电位器，二极管，其中底板中央固定变压器，变压器的两端均设有线圈，底板后方连接了竖直板，竖直板上连接两组电路，分别为通电自感电路和断电自感电路，各电路元件端口均设有接线柱，各接线柱之间用导线连接，两电路改变导线连接后为断电互感电路。本演示器通过共用一个变压器的方法，既能节约成本，提高器材使用效率，并且将整套装置集中在一个较小的空间内，使它变得灵巧，竖直板可以从底板上取下，方便运输便于使用、搬运和贮存，本多用自感互感演示器更换了灯泡和线圈，使得断电瞬间能点亮额定电压为220V的灯泡，大大提升实验效果。

Description

一种多用自感互感演示器

技术领域

本实用新型涉及课程演示领域，具体涉及一种多用自感互感演示器。

背景技术

通电自感和断电自感实验是高中物理最经典的实验之一，属于课堂必做的实验。几十年前一直到现在，中学物理实验室里配备的都是2446型自感现象演示器，它用两套独立的装置做通电自感和断电自感实验，在断电瞬间能观察到3.8V小电珠闪亮一下熄灭。因为没有别的选择，广大教师一直都用2446型自感现象演示器做自感实验，思考的只是怎样在课堂实验时操作熟练规范一些，在做“断电自感”实验时，断电瞬间可以观察到小电珠有闪亮的效果。没有人想到用220V的LED灯泡或220V的节能灯代替“小电珠”尝试实验，因为老师根本不相信，断电瞬间会达到点亮220V的照明灯的效果。2446型自感现象演示器及方案存在以下缺点：1.通电自感、断电自感、探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系这三个实验是采用不同的实验装置完成的，用了三个变压器，造成资源浪费2.学校现有的2446型自感现象演示器质量约15kg，不便于使用、搬运和贮存。3.用2446型自感现象演示器做断电自感现象实验，虽然能观察到3.8V小电珠闪亮一下熄灭，但会引起很多学生的误解，认为线圈产生的自感电动势不会超过原来的电源电压。4.利用教学用的可拆变压器模型做探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系这个实验时，因为漏磁等原因，副线圈测得的电压值明显低于预测值。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种便携，实验效果明显以及价格合理的互感自感演示器，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷。

本实用新型解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：一种多用自感互感演示器，包括底板，竖直板，电源，变压器，电位器，二极管，小电珠以及灯泡，所述底板中央固定变压器，变压器的两端均设有线圈，一端为线圈一，另一端为线圈二、线圈三，底板后方连接了可拆卸的竖直板，竖直板上连接两组电路，分别为通电自感电路和断电自感电路，各电路元件端口均设有接线柱，各接线柱之间用导线连接，两电路改变导线连接后为断电互感电路，通电自感电路为电位器一与小电珠一串联，线圈一与小电珠二串联，然后两者再与电源一并联，断电自感电路为灯泡与相互并联的二极管一与二极管二串联，再与电源二以及线圈一并联，断电互感电路为电源二与线圈一串联，灯泡与线圈二串联。

优选的，所述电源为直流电源或交流电源，直流电源采用干电池或学生电源，交流电源采用可变交流电源，电源连接开关后再接各电路元件。

优选的，所述线圈一、线圈二、线圈三均为变压器中的一组线圈，变压器的两个接口上分别连接电位器二以及地线。

优选的，所述的断电自感电路以及断电互感电路所用灯泡均为220V的LED灯泡或节能灯。

优选的，所述二极管为发光二极管，二极管一与二极管二以相反方向并联在一起。

优选的，所述电位器的阻值为5-25Ω。

有益效果是：多用自感互感演示器将这几个实验综合在同一套装置中完成(共用一个变压器)，这样能节约成本，提高器材使用效率，本演示器通过共用一个变压器的方法，并且将整套装置集中在一个较小的空间内，使它变得灵巧，并且竖直板可以从底板上取下，方便运输便于使用、搬运和贮存，多用自感互感演示器更换了灯泡和线圈，使得断电瞬间能点亮额定电压为220V的LED灯或节能灯，这样能大大提升实验效果，使学生明白在断电自感现象中，线圈产生的自感电动势可能比原来的电源电压高得多。本演示器通过选用能量转换效率更高的变压器的方法，使实验测得的电压值接近理想值。利用本演示器还能让学生安全体验电击的感受。

附图说明

图1为通电自感的电路示意图；

图2为断电自感的电路示意图；

图3为本实用新型的总电路示意图；

其中1--接线柱一；2--接线柱二；3--接线柱三；4--接线柱四；5--接线柱五；6--接线柱六；7--接线柱七；8--接线柱八；9--接线柱九；10--接线柱十；11--接线柱十一；12--接线柱十二；13--接线柱十三；14----接线柱十五；16--接线柱十六；111--电源一；112--开关一；113--电位器一；114--小电珠一；115-小电珠二；221--电源二；222--开关二；223-灯泡；224--二极管一；225-二极管二；33-变压器；331-地线；332--电位器二；333--线圈一；334-线圈二；335-线圈三；41-底板；42-竖直板。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施方式：

图3出示本实用新型的总电路示意图：一种多用自感互感演示器，包括底板41，竖直板42，电源，变压器33，电位器，二极管，小电珠以及灯泡223，其特征在于：所述的底板42中央固定变压器33，变压器的两端均设有线圈，一端为线圈一333，另一端为线圈二334、线圈三335，底板41后方连接了可拆卸的竖直板42，竖直板42上连接两组电路，分别为通电自感电路和断电自感电路，各电路元件端口均设有接线柱，各接线柱之间用导线连接，两电路改变导线连接后为断电互感电路，通电自感电路为电位器一113与小电珠一114串联，线圈一333与小电珠二115串联，然后两者再与电源一111并联，断电自感电路为灯泡223与相互并联的二极管一224与二极管二225串联，再与电源二221以及线圈一333并联，断电互感电路为电源二221与线圈一333串联，灯泡223与线圈二334串联。电源为直流电源或交流电源，直流电源采用干电池或学生电源，交流电源采用可变交流电源，电源连接开关后再接各电路元件。线圈一333、线圈二334、线圈三335均为变压器33中的一组线圈，变压器33的两个接口上分别连接电位器二332以及地线331。断电自感电路以及断电互感电路所用灯泡223均为220V的LED灯泡或节能灯。二极管为发光二极管，二极管一224与二极管二225以相反方向并联在一起。电位器的阻值为5-25Ω。

多用自感互感演示器长21cm，宽17cm，高30cm，质量约5kg，其中变压器采用格兰仕微波炉GAL-800E-4高压变压器(可用普通变压器代替)，接线柱一1与接线柱二2之间的线圈一匝数为268匝，接线柱三3、接线柱四4接线柱间的线圈二匝数为2770匝，接线柱五5、接线柱六6接线柱间的线圈三匝数为4匝。

实施例1 演示通电自感现象

第一步，用导线将接线柱一1与接线柱八8相连，接线柱二2与接线柱九9相连，接线柱十10与接线柱十一11接上学生电源(直流4V档)，接通电源一111，调节10欧的电位器一113的阻值，直到两个规格相同的3.8V小电珠一114和小电珠二115亮度相等。

第二步，断开开关一112，再将开关一112重新闭合，观察小电珠一114和小电珠二115中哪个先达到正常亮度。

实验现象：小电珠二115迟一些才达到正常亮度。

实施例2 演示断电自感现象(一)：用一节干电池点亮220V的LED灯

第一步，用导线将接线柱一1与接线柱十二12相连，接线柱二2与接线柱十三13相连，电源二221为一节5号干电池，灯泡223为功率3W，品牌为“super bright”的220V的LED球泡灯，图2中二极管一224与二极管二225是普通的5mm发绿光的发光二极管。

第二步，先将开关二222闭合，观察灯泡223LED灯光二极管一224与二极管二225是否发光，再将二222断开，观察断开瞬间灯泡223灯和二极管一224与二极管二225是否发光。

实验现象：开关二222闭合时，由于电压只有1.5V，远低于220V的额定电压，灯泡223灯不亮，发光二极管一224与二极管二225都不亮。当开关二222突然断开时，灯泡223LED灯和发光二极管二225闪亮一下再熄灭，现象非常清晰。表明此时电流从左向右流过灯泡223LED灯(若是干电池形成的电流，方向应从右到左)，发光二极管一224始终未亮。

说明：220V的灯泡223LED灯也可以选用别的品牌的5W及以下的小功率灯(事先试验一下能否闪亮，某些LED灯，比如采用2W的本邦牌LED水晶球泡灯，开关二222突然断开时会看到二极管一224也微亮一下，此时，可在灯泡223和二极管一224与二极管二225之间串联一只1KΩ的电阻，开关二222突然断开时二极管一224即不亮)。

实施例3 演示断电自感现象(二)：用一节干电池点亮220V的节能灯

实验操作方法与实验2相同。只是灯泡223中换上品牌为“迈特”的220V的5W节能灯。

实验现象：开关二222闭合时，由于电压只有1.5V，远低于220V的额定电压，灯泡223节能灯不亮，发光二极管一224与二极管二225均不亮。当开关二222突然断开时，灯泡223节能灯和发光二极管二225闪亮一下再熄灭，现象非常清晰。表明此时电流从左向右流过节能灯(若是干电池形成的电流，方向应从右到左)，发光二极管一224始终未亮。

说明：220V的灯泡223节能灯也可以选用别的品牌的5W及以下的小功率灯((事先试验一下能否闪亮，某些品牌的节能灯，7W、9W也能达到闪亮的效果)，实验效果都很完美。

实施例4 做安全体验电击的演示实验(一)

第一步，电源二221为一节5号旧电池，用导线将接线柱一1与接线柱十五15相连，接线柱二2与接线柱十四14相连。请一个同学上来用同一个手(比用二个手更安全)的两个手指分别按住接线柱一1和接线柱二2。也可以让几个同学手拉着手串联，左右两头的手分别用一个手指按住接线柱一1和接线柱二2。

第二步，老师将开关二222闭合，然后突然将开关二222断开，观察接受实验的同学的反应。

实验现象：开关二222突然断开时，接受实验的同学都有较强的受到电击的感觉。

实施例5 做安全体验电击的演示实验(二)

第一步，电源二221为一节5号旧电池，用导线将接线柱一1与15相连，接线柱七7与接线柱十四14相连。请一个同学上来用同一个手的两个手指分别按住接线柱四4和接线柱三3。

第二步，老师将开关二222闭合，然后突然将开关二222断开，观察接受实验的同学的反应。

实验现象：开关二222突然接通和断开时，接受实验的同学有两次较强的受到电击的感觉。

实施例6 做探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系演示实验

第一步，用导线将接线柱一1与接线柱二2接上学生电源的交流输出档，用导线将交流电压表(采用学校实验室普遍配置的J0411A型指针式多用电表，档位选择交流50V档)与接线柱一1、接线柱二2相连。用导线将另一多用电表(档位选择交流250V档)与接线柱四4、接线柱三3相连。

第二步，老师学生电源的交流输出电压分别调到6V、8V、10V档，开关闭合稳定后，分别读出两多用电表对应的电压值，并记录(这是升压变压器的数据)。

第三步，将另一多用电表与接线柱四4、接线柱三3断开，用导线将此多用电表(档位选择从交流250V档换成交流2.5V档)与接线柱六6、接线柱五5相连。

第四步，老师将学生电源的交流输出电压分别调到12V、14V、16V档，开关闭合稳定后，分别读出两多用电表对应的电压值，并记录(这是降压变压的数据)。

第五步，根据记录的数据探究线圈两端的电压与匝数的关系。

安全保障措施：因为用变压器33“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验过程中高压线圈的输出电压最高一次比100V多一些，超过了36V安全电压，虽然厂家已经将变压器的高压线圈周围用厚实的油纸包裹，为保证绝对安全，将高压线圈的引线头用绝缘胶管包围，接线柱上安置塑料外套(手指无法直接触到金属部分)。

实验结论：在实验误差范围内，变压器33原、副线圈两端的电压与原、副线圈的匝数成正比。可用公式表示为：U1/U2＝n1/n2，称为理想变压器的变压比公式。

说明：这个实验被教材安排为课堂探究实验，就是希望根据实验测得数据推出理想变压器33的变压比公式。现将“多用自感互感演示器”和学校现有的“教学用可拆变压器”做探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系的实验数据进行对比。为了有一个统一的比较标准，测量得到的副线圈电压值用U2′表示，由变压比公式U2＝U1n2/n1求出的U2是理论预测值，我们比较的值是：A＝U2′/U2×100％，我们希望这个值越接近100％越好，实验得到的A值只有基本接近100％时，才能成功推出变压比公式。

用学校现有的“教学用可拆变压器”做这个实验，先研究升压变压器33，原线圈选400匝，副线圈选800匝(下一次改用1400匝)，原线圈电压用学生电源输入，分别调到4V档、6V档、8V档，再测量出副线圈两端的电压值。我多次实验获得的数据中，A值最高为85.6％，最低为75.4％，这已是最理想的实验方案，若用2V档输入，A值甚至会低到70％。再研究降压变压器33，原线圈选1400匝(下一次改用800匝)，副线圈选400匝，原线圈电压用学生电源输入，分别调到8V档、12V档、16V档，再测量出副线圈两端的电压值。我多次实验获得的数据中，A值最高为77.3％，最低为72.8％，若采用更低的电压档输入，副线圈选择100匝时，A值甚至会低于50％。

因此，根据上面实验的数据，其实是很难得出变压比公式U1/U2＝n1/n2，这种情况下，老师只能解释是因为变压器33不是理想的，有各种损耗，导致有这种偏差，然后强行给出理想变压器33的变压比公式U1/U2＝n1/n2。因为电压测量值与公式的理论预测值相差这么大，学生心中还是将信将疑，自然，教学效果也大打折扣。

再用“多用自感互感演示器”做这个实验。研究升压变压器33时，选268匝的线圈一333为原线圈，2770匝的线圈二为副线圈，原线圈电压用学生电源输入，分别调到6V档、8V档、10V档，再测量出副线圈两端的电压值。我多次实验获得的数据中，8V档输入时A值几乎为100％，其余数据中A值最低为90.2％。研究降压变压器33时，选268匝的线圈一为原线圈，4匝的线圈三为副线圈，原线圈电压用学生电源输入，分别调到16V档、14V档、12V档(输入电压只有几伏时，副线圈两端电压太低，读数相对误差大)，再测量出副线圈两端的电压值。我获得的实验数据中，A值最高为100％，A值最低为95.1％。因为A值已很接近100％，总结得到理想变压器33的变压比公式也是水到渠成的事，而且学生信服，教学效果好。

实施例7 演示互感现象(一)：用一节干电池点亮220V的LED灯

第一步，将二极管一224与二极管二225与接线柱十六16间的连接断开，将灯泡223与接线柱十四14间的连接断开，电源为一节5号干电池，用导线将接线柱一1与接线柱十五15相连，接线柱二2与接线柱十四14相连。

第二步，用导线将接线柱四4和接线柱十二12相连，接线柱三3与接线柱十六16相连，灯泡223为功率3W，品牌为“super bright”的220V的LED球泡灯。

第三步，将开关二222闭合，然后突然将开关二222断开，观察断开瞬间灯泡223LED灯是否发光。

实验现象：开关二222突然断开时，灯泡223LED灯闪亮一下再熄灭，现象非常清晰。

说明：220V的灯泡223LED灯也可以选用别的品牌的3W及以下的小功率LED灯(事先试验一下能否闪亮)。

实施例8 演示互感现象(二)：用一节干电池点亮220V的节能灯

第一步，将二极管一224与二极管二225与接线柱十六16间的连接断开，将灯泡223与接线柱十四14间的连接断开，电源为一节5号干电池，用导线将接线柱一1与接线柱十五15相连，接线柱二2与接线柱十四14相连。

第二步，用导线将接线柱四4和接线柱十二12相连，接线柱三3与接线柱十六16相连，灯泡223为一支品牌为“迈特”的220V的5W节能灯。

第三步，将开关二222闭合，然后突然将开关二222断开，观察断开瞬间灯泡223节能灯是否发光。

实验现象：开关二222突然断开时，灯泡223节能灯闪亮一下再熄灭，现象非常清晰。

说明：220V的灯泡223LED灯也可以选用别的品牌的5W及以下的小功率节能灯(事先试验一下能否闪亮)。

采用以上技术方案的有益效果是：第一、在学校实验室中，通电自感、断电自感、探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系这三个实验是采用不同的实验装置完成的，实验成本高。而多用自感互感演示器这一套装置(共用一个变压器33)，就可以完成与自感现象、互感现象有关的8个实验，极大地降低了实验成本，提高了实验效率。

第二、多用自感互感演示器做断电自感现象实验，电源二221仅用一节干电池，就能点亮额定电压为220V的小功率灯泡223LED灯或节能灯，还让学生体验到电击的感觉，极大地提升了实验效果，使学生震撼的同时，更容易明白在断电自感现象中，线圈产生的自感电动势可能比原来的电源电压高得多。

第二、多用自感互感演示器长21cm，宽17cm，高30cm，质量约5kg，竖直板42还可以从底板41上取下，使用、搬运和贮存都很方便。

第三、利用教学用的可拆变压器模型做探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系这个实验时，因为漏磁等原因，副线圈测得的电压值明显低于理论的预测值，多用自感互感演示器选用了能量转换效率更高的变压器33，利用实验测得的数据就更接近理想变压器的电压值。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种多用自感互感演示器，包括底板，竖直板，电源，变压器，电位器，二极管，小电珠以及灯泡，其特征在于：所述底板中央固定变压器，变压器的两端均设有线圈，一端为线圈一，另一端为线圈二、线圈三，底板后方连接了可拆卸的竖直板，竖直板上连接两组电路，分别为通电自感电路和断电自感电路，各电路元件端口均设有接线柱，各接线柱之间用导线连接，两电路改变导线连接后为断电互感电路，通电自感电路为电位器一与小电珠一串联，线圈一与小电珠二串联，然后两者再与电源一并联，断电自感电路为灯泡与相互并联的二极管一与二极管二串联，再与电源二以及线圈一并联，断电互感电路为电源二与线圈一串联，灯泡与线圈二串联。 

2.根据权利要求1所述一种多用自感互感演示器，其特征在于：所述电源为直流电源或交流电源，直流电源采用干电池或学生电源，交流电源采用可变交流电源，电源连接开关后再接各电路元件。 

3.根据权利要求1所述一种多用自感互感演示器，其特征在于：所述线圈一、线圈二、线圈三均为变压器中的一组线圈，变压器的两个接口上分别连接电位器二以及地线。 

4.根据权利要求1所述一种多用自感互感演示器，其特征在于：所述断电自感电路以及断电互感电路所用灯泡均为220V的LED灯泡或节能灯。 

5.根据权利要求1所述一种多用自感互感演示器，其特征在于： 所述二极管为发光二极管，二极管一与二极管二以相反方向并联在一起。 

6.根据权利要求1所述一种多用自感互感演示器，其特征在于：所述电位器的阻值为5-25Ω。