CN209571120U - 一种法拉第电磁感应定律的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种法拉第电磁感应定律的实验装置，包括教学用变频电源、教学用振动台、强磁铁、方形线圈、教学用示波器；教学用变频电源选择适当的交流电压和频率为教学用振动台提供电源，教学用振动台轴上固定的强磁铁就会发生上下振动，方形线圈中的磁通量Ф就会发生周期性变化，ΔФ的大小由强磁铁的振幅决定，而Δt是由强磁铁的振动频率（f=1/T）决定，随着振幅或频率的变化，感应电动势E=nΔФ/Δt也发生变化，通过观察示波器中心亮点上下震动的幅度，判断感应电动势的大小和方向，这样通过改变振幅和频率进行定量分析。本实用新型解决了物理教学中关于法拉第电磁感应定律的难点和疑点，充分提高了物理教学效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种物理教学实验装置，具体涉及一种法拉第电磁感应定律的实验装置。
背景技术
中学物理《人民教育出版社》选修教材中，第四章的电磁感应中第3节《法拉第电磁感应定律》，描述了穿过闭合电路的磁通量发生变化，电路中就有感应电流产生。既然闭合电路中有感应电流，电路中就有一定有电动势。这种在电磁感应现象中产生的电动势就叫做感应电动势。它的大小又是如何定义的呢：在法拉第，韦伯等科学家的共同努力下，人们总结出了：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。这就是我们现在学习的著名的《法拉第电磁感应定律》。这个定律它是这样定义的：如果时刻t1穿过闭合电路的磁通量是Ф1，时刻t2穿过闭合电路的磁通量Ф2，则在时间Δt=t2-t1内，磁通量的变化量为ΔФ=Ф2-Ф1，磁通量的变化率就是ΔФ/Δt.用E表示闭合电路中的感应电动势，那么电磁感应定律就可以表示为E=ΔФ/Δt，闭合电路常常是一个匝数为n的线圈串联，因此整个线圈中的感应电动势是单匝线圈的n倍，即E=nΔФ/Δt 。
自从这个定律诞生，在教科书里就没有直接用实验来证明这个看似简单而抽象的定律，学生很难理解，现有技术中也没有相关仪器设备来展现法拉第电磁感应定律，只能用实验间接说明，更不能进行定量分析。
因此，需要研发一种结构简单、操作便捷的法拉第电磁感应定律的实验装置，能够直观、清楚的解释闭合电路中感应电动势的大小跟磁通量的变化率成正比。
实用新型内容
本实用新型的目的是有效提高教师教学科研水平，填补法拉第电磁感应定律实验装置的空白，提高物理教学质量，培养更多更好的创新型人才。
本实用新型针对现有技术中存在的缺陷，提出了一种结构简单、操作便捷的法拉第电磁感应定律的实验装置，能够直观、清楚的解释闭合电路中感应电动势的大小跟磁通量的变化率成正比。
本实用新型提出如下技术方案：一种法拉第电磁感应定律的实验装置，包括包括教学用变频电源、教学用振动台、强磁铁、方形线圈、教学用示波器；所述教学用变频电源为所述教学用振动台提供电源，所述教学用振动台上设置有振动轴，强磁铁固定在所述振动轴上端；所述强磁铁外部套设有方形线圈，所述教学用振动台为强磁铁提供震动源，所述教学用示波器检测所述方形线圈中产生感应电动势。
本实用新型一个较佳实施方案中，教学用变频电源包括电源控制电路模块、可改变频率的多种信号发生电路模块、信号放大电路模块、直流电压连续可调电路模块；所述电源控制电路模块控制整个变频电源的开关以及过载保护；所述可改变频率的多种信号发生电路模块与所述信号放大电路模块连接；能够提供频率1Hz-10KHz、电压0-25V连续可调的交流变频电压。所述直流电压连续可调电路模块提供连续可调直流电压1.25-30V输出，最大电流2A。教学用变频电源为教学用振动台提供电源。
本实用新型一个较佳实施方案中，所述教学用振动台是一个振动源，所述教学用振动台内设电流过载保护装置，所述教学用振动台外设有防止内部核心结构损坏的机械保护装置，所述机械保护装置包括设置在所述振动轴左右两侧的直角钢，以及穿设在直角钢和振动轴上的插销。具体的，所述机械保护装置有效防止拆卸装置时用力不当损坏教学用振动台内部核心结构，使用时将插销拔出，教学用振动台振动的频率和振幅由教学用变频电源提供电源的频率和电压所决定的，在此为强磁铁提供振动源之用。能有效的控制强磁铁插入方形线圈的深度和速度，可获得相对稳定的ΔФ和Δt，用常规方法无法达到此目标，这是一种创新。
本实用新型一个较佳实施方案中，强磁铁为钕铁硼永磁体，形状为中心带孔的圆柱体；在此为方形线圈提供强磁场。具体的，强磁铁安装固定在教学用振动台的振动轴上。
本实用新型一个较佳实施方案中，方形线圈为可拆变压器的线圈；在此为产生感应电动势之用。具体的，方形线圈套在强磁铁外，匝数的多少直接影响产生感应电动势的大小。
本实用新型一个较佳实施方案中，教学用示波器为模拟示波器；在此为检测方形线圈中产生感应电动势的大小和方向。具体的，使用时将教学示波器调整为中心小圆亮点，用教学示波器测量感应电动势的大小和方向也是一种创新，其它方法无法取代之。
本实用新型一个较佳实施方案中，法拉第电磁感应定律的实验装置的实验方法：当变频电源为教学用振动台提供电源时，选择适当的电压和频率，固定在教学用振动台轴心上的强磁铁就会发生上下振动，振动频率与提供电源频率相同，此时方形线圈中的磁通量ΔФ就会发生周期性变化，这里我们研究的是一个振动周期T,假设前1/2周期(Δt=1/2f) 强磁铁振动的方向向下，相当于强磁铁插入方形线圈中，磁通量增加，ΔФ为正数，E为正数时教学用示波器中心亮点向上偏移，后1/2周期(Δt=1/2f) 强磁铁的振动方向向上，相当于强磁铁移出方形线圈，此时磁通量减少，ΔФ为负数，E为负数时教学用示波器中心亮点向下偏移，偏移的大小由强磁铁的振幅决定，振幅增大，ΔФ增大，感应电动势 E=nΔФ/Δt增大；如果保持强磁铁的振幅不变即ΔФ的绝对值不变，当振动的频率（f=1/T）增加时,Δt=1/2f减小,同样感应电动势 E=nΔФ/Δt也增大，通过观察教学用示波器中心亮点上下振动的幅度，判断感应电动势的大小和方向；这样通过改变振幅和频率可以进行定量分析，由此充分证明法拉第电磁感应定律，电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。
本实用新型的一种新的法拉第电磁感应定律的实验装置的有益效果是：
1、本实用新型提供了一种新的法拉第电磁感应定律的实验装置，本实用新型有效解决了物理教学中关于法拉第电磁感应定律的难点和疑点，而且可以让学生非常直观的看到感应电动势（E）的大小与磁通量的变化率 (ΔФ/Δt)成正比，特别是解决了定量分析问题，充分提高了物理教学效果。
2、本实用新型包括教学用变频电源、教学用振动台、强磁铁、方形线圈、教学用示波器。教学用变频电源采用专利号为ZL 201420496643.5 的变频电源,它能提供频率1HZ-10KHZ、电压0-25V连续可调的交流变频电压，在此为教学用振动台提供电源之用。
3、教学用振动台是一个振动源，内设电流过载保护装置，外设机械保护装置，防止拆卸装置时用力不当损坏教学用振动台内部核心结构，教学用振动台振动的频率和振幅由提供电源的频率和电压所决定的，在此为强磁铁提供振动源之用。
4、强磁铁为钕铁硼永磁体，形状为中心带孔的圆柱体，安装固定在教学用振动台轴心上，在此为方形线圈提供磁场。
5、方形线圈为学生实验可拆变压器的线圈，将之套在强磁铁上，匝数的多少直接影响产生感应电动势的大小，在此为产生感应电动势之用。
6、教学用示波器为教学用模拟示波器，在此为测量方形线圈中所产生感应电动势的大小和方向之用。使用时将教学用示波器调整为中心小圆亮点，Y轴输入和接地分别与方形线圈两端相接。
附图说明
图1是本实用新型法拉第电磁感应定律的实验装置优选实施例的结构示意图；
图2是本实用新型优选实施例的振动轴与机械保护装置的结构示意图；
图3是本实用新型优选实施例的强磁铁固定在教学用振动台的振动轴上的结构示意图；
图4是本实用新型优选实施例的方形线圈套设在教学用振动台的机械保护装置外部的结构示意图；
图5是本实用新型优选实施例的表一的实验数据图；
图6是本实用新型优选实施例的表二的实验数据图；
其中，1-法拉第电磁感应定律的实验装置, 2-教学用变频电源, 3-教学用振动台,31-电源连接端，32-机械保护装置，321-插销,33-振动轴，4-教学用示波器，5-强磁铁,6-方形线圈, 61-方形内孔，7-导线。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。
如图1~图4所示，是本实用新型的一种法拉第电磁感应定律的实验装置，法拉第电磁感应定律的实验装置1包括教学用变频电源2、教学用振动台3、强磁铁5、方形线圈6、教学用示波器4。教学用变频电源2提供频率1HZ-10KHZ、电压0-25V连续可调的交流变频电压，在此为教学用振动台3提供电源之用。教学用振动台3是一个振动源，内设电流过载保护装置，外设机械保护装置32，防止拆卸装置时用力不当损坏振动台内部核心结构。教学用振动台3振动的频率和振幅由教学用变频电源2提供的电源频率和电压所决定的，教学用振动台3在此为强磁铁5提供振动源之用；强磁铁5安装固定在教学用振动台3的振动轴33上，强磁铁5外部套设有方形线圈6，方形线圈6内部设置有方形内孔61，且方形线圈6通过方形内孔61套放在教学用振动台3机械保护装置32上，强磁铁5在此为方形线圈6提供磁场。方形线圈6为学生实验用可拆变压器的线圈，方形线圈6匝数的多少直接影响产生感应电动势的大小，在此为产生感应电动势之用。教学用示波器4为普通模拟示波器，在此为测量方形线圈6中所产生感应电动势的大小和方向之用。使用时将教学示波器4调整为中心小圆亮点，Y轴输入和接地分别与方形线圈6两端相接。
本实用新型一个较佳实施方例中，教学用振动台3的振动轴33下部固定连接在教学用振动台3内的扬声器上，当扬声器接通教学用变频电源2后产生振动，振动轴33上部固定有强磁铁5。教学用振动台3的振动轴33左右两侧设有机械保护装置32，机械保护装置32包括设置在振动轴33两侧的两个直角钢板，以及穿设在直角钢板和振动轴33上的插销321。具体的，通过插销321穿设在直角钢板和振动轴33内，然后将强磁铁5固定安装在振动轴33上部，再将插销321从直角钢板和振动轴33内拔出，完成强磁铁5与振动轴33的固定安装。便于振动轴33带动强磁铁5进行上下振动；同时机械保护装置32有效防止拆卸装置时用力不当损坏教学用振动台3内部核心结构。本实用新型一个较佳实施例中，强磁铁5采用钕铁硼永磁体制成，且形状为中心带孔的圆柱体。
本实用新型一个较佳实施方例中，教学用变频电源2采用的是现有技术中的中的变频电源，教学用变频电源2的专利号为ZL 201420496643.5，专利名为一种教学用变频电源。具体的，教学用变频电源2包括电源控制电路模块、可改变频率的多种信号发生电路模块、信号放大电路模块、直流电压连续可调电路模块；电源控制电路模块控制整个变频电源的开关以及过载保护；可改变频率的多种信号发生电路模块与信号放大电路模块连接；直流电压连续可调电路模块提供连续可调直流电压和电流输出。直流电压连续可调电路模块提供连续可调直流电压1.25-30V输出，最大电流2A。
如图1~图6所示，本实用新型法拉第电磁感应定律的实验装置的工作原理：当教学用变频电源2为教学用振动台3提供电源时，选择适当的电压和频率，固定在教学用振动台3上的强磁铁5就会发生上下振动，振动频率与提供电源频率相同，此时方形线圈6中的磁通量ΔФ就会发生周期性变化，这里我们研究的是一个振动周期T,假设前1/2周期(Δt=1/2f) 强磁铁5振动的方向向下，相当于强磁铁5插入方形线圈6中，磁通量增加，ΔФ为正数，E为正数时教学用示波器4中心亮点向上偏移，后1/2周期(Δt=1/2f) 强磁铁5的振动方向向上，相当于强磁铁5移出方形线圈6，此时磁通量减少，ΔФ为负数，E为负数时教学用示波器4中心亮点向下偏移，偏移的大小由强磁铁5的振幅决定，振幅增大，ΔФ增大，感应电动势 E=nΔФ/Δt增大；如果保持强磁铁5的振幅不变即ΔФ的绝对值不变，当振动的频率（f=1/T）增加时,Δt=1/2f减小,同样感应电动势 E=nΔФ/Δt也增大，通过观察教学用示波器4中心亮点上下振动的幅度，判断感应电动势的大小和方向。这样通过改变振幅和频率可以进行定量分析，定量分析附图表。由此充分证明：法拉第电磁感应定律中，电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。
定量分析图表一（改变振幅即改变ΔФ）
定量分析图表二（改变频率f即改变Δt）
以上实施例仅为本实用新型其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种法拉第电磁感应定律的实验装置，其特征在于：包括教学用变频电源、教学用振动台、强磁铁、方形线圈、教学用示波器；所述教学用变频电源为所述教学用振动台提供电源，所述教学用振动台上设置有振动轴，强磁铁固定在所述振动轴上端；所述强磁铁外部套设有方形线圈，所述教学用振动台为强磁铁提供震动源，所述教学用示波器检测所述方形线圈中产生感应电动势。
2.根据权利要求1所述的法拉第电磁感应定律的实验装置，其特征在于：所述教学用变频电源包括电源控制电路模块、可改变频率的多种信号发生电路模块、信号放大电路模块、直流电压连续可调电路模块；所述电源控制电路模块控制整个变频电源的开关以及过载保护；所述可改变频率的多种信号发生电路模块与所述信号放大电路模块连接；能够提供频率1Hz-10KHz、电压0-25V连续可调的交流变频电压，所述直流电压连续可调电路模块提供连续可调直流电压1.25-30V输出，最大电流2A。
3.根据权利要求1所述的法拉第电磁感应定律的实验装置，其特征在于：所述教学用振动台是一个振动源，所述教学用振动台内设电流过载保护装置，所述教学用振动台外设有防止内部核心结构损坏的机械保护装置，所述机械保护装置包括设置在所述振动轴左右两侧的直角钢，以及穿设在直角钢和振动轴上的插销。
4.根据权利要求1所述的法拉第电磁感应定律的实验装置，其特征在于：所述强磁铁为钕铁硼永磁体，形状为中心带孔的圆柱体；在此为方形线圈提供强磁场。
5.根据权利要求1所述的法拉第电磁感应定律的实验装置，其特征在于：所述方形线圈为可拆变压器的线圈；在此为产生感应电动势。
6.根据权利要求1所述的法拉第电磁感应定律的实验装置，其特征在于：所述教学用示波器为模拟示波器；在此为检测方形线圈中产生感应电动势的大小和方向。
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