书城科普读物动手做实验丛书--电学实验改进设计实践
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第10章 磁场的实验操作与改进设计(2)

验证通电螺线管磁性与有无铁芯的关系。将螺线管L2套回空心塑料管C上,使指针恢复“0”位置,把软铁芯E取出。闭合K1,指针第四次偏转,记下电流表读数和指针偏转角度,断开电源。根据第二次和第四次记录结果比较电流强度和线圈匝数相同,第四次指针偏转角度很小。说明通电螺线管的磁性,有铁芯时磁性强,无铁芯时磁性大大减弱。

按上述演示的思路,演示器不但能定性说明通电螺线管的磁性与电流强度有关,还能说明线圈匝数和有无铁芯的关系。

旋转磁场演示实验的改进

高中物理课本在“感应电动机”一节中,介绍了两个实验。一个是永久磁铁旋转产生旋转磁场的演示。另一个是三相电的旋转磁场的演示。

第一个实验装置结构复杂。在实验中发现,自制铝框的重心不易调整。如果重心不在转动轴线上,则铝框本身自然处于稳定平衡状态。摇动永久磁铁时铝框不易转动。为克服这个困难实验装置

,黑龙江省三江管局大兴职业高中邢兆启老师将该装置做了较大改进。改进后的装置见图1。

将磁铁用绳吊起,可以绳为轴自由旋转励磁绕组

。转子用日光灯启辉器外壳,用一根缝衣针顶着。取材容易。也可用铝框。由于转子的转动处于随遇状态,转动相当灵活。只要稍转动永久磁铁,转子就跟着转动。较好地解决了问题。

三相电的旋转磁场演示,以往用220V单相交流电演示。此实验可以用学生电源给出的6V交流电演示。

为了加强磁场,线圈绕于铁芯上。装成图2的装置。铁芯间互成120°角。铁芯可用40W日光灯的镇流器的铁芯。其叠厚为8mm。线圈用φ04mm左右的漆包线绕于铁芯的一个缺口内,90匝即可。分别绕三个相同的线圈,按星形或三角形连接(两种接法转矩不同)。裂相用的电容器可用两个220μF10V电解电容器和两个1N4001型二极管,按图3连接。连接后相当于一个等效电容器

无极性电容器。封装在一个日光灯启辉器壳中。这种接法电容器工作在单向电流状态下,减少了电容器损坏的机会。裂相用的电阻用10Ω10V的即可,裂相电路见图4。由于装置使用6V交流电演示相当安全。

裂相电路

用单相交流电演示三相旋转磁场

初三物理“电和磁(二)”一章中讲述了三相异步电动机的原理,用三相交流电可以产生旋转磁场。有一个演示实验,把三个线圈按星形接法连接到三相交流电源上。一般物理实验室只有单相交流电。江苏省苏州三十一中吴鸣钟老师介绍做一个裂相装置,把单相交流电变换成模拟的三相交流电,教学效果很好。

三组线圈用030mm的漆包线绕成120×80mm的矩形线框。每组线圈300匝。用绝缘胶带包扎,使它们的平面互成120°角。然后把它们按星形接成图示。R为220V100W的白炽灯,C为10U400V的无极性油浸电容。实验测得IA=052A,IB=048A,IC=071A。通过计算得到各电流的相位差,用矢量图表示(图二)。作出三个正弦交流电的近似波形图(图三)。

三个正弦交流电通过三相绕组时,将各自产生一个按正弦规律变化的磁场。而其合成磁场就是我们所需要的旋转磁场。我们定性地讨论如何产生旋转磁场?

现假定三个电流的正方向。若电流从绕组始端流入而从末端流出为正,反之为负。下面从几个不同的瞬间来分析三个交流电在各自绕组中产生的磁场的合成磁场。

当ωt=0时,iA=0,A相绕组内没有电流;iB是正值,B相电流由B端流进,Y端流出;iC是负值,C相电流由Z端流进,C端流出。运用右手螺旋法则可以确定该瞬间的合成磁场当ωt=π2时,iA由零变为正值,电流由A端流进,X端流出;iB为零,iC为负,电流自X端流进,C端流出。此时电流所产生的合成磁场。可以看出这时合成磁场已从ωt=0时的位置按逆时针方向转过了45°。当ωt=π时,三相电流合成磁场按逆时针转过了180°。当ωt=32π时,合成磁场转过了225°。当ωt=2π时,合成磁场转过了360°,即旋转了一周。由此可知,利用RC和三组线圈把单相交流电变换成不对称的三相交流电iA、iB、iC,通入三个绕组A-X、B-Y、C-Z后,所形成的合成磁场是一个随时间变化的旋转磁场。

ωt=0ωt=π/2(a)(b)ωt=πωt=3π/2(c)(d)ωt=2π(e)按教科书上的方法,我们用小磁针和铝框能明显地演示磁场磁场。

对电功实验装置的改进

九年义务教育物理教材关于电流做功的实验是九年教物理教学中重要的演示实验之一,该实验对学生建立电功的概念并理解掌握电功的公式W=UIt起着非常关键的作用。但如果只是按教材上所示进行组合,则因不能精确控制时间,电机没有刹车装置,电表读数困难等原因,实验效果不理想。深圳市西丽二中瑞老师针对上述问题对实验装置做了一些改进,改进后的装置除操作方便外,还能反映电能转化为机械能的全过程,并能定量地研究电流所做的功W与电压U、电流强度I和时间t的定量关系,具有很强的说服力。

电路改进设计

M为6V1W直流电机,J1、J2、J3分别是时间继电器常闭和常开触点,电磁止动器是由J2414型学生分组实验用电磁继电器改装的刹车装置,R是可变电阻,使用时调至与电机的动态阻值相同。时间继电器设定时间范围为0-30s。

电路工作原理及特点

将时间继电器开关转换时间设定好,闭合开关K,J1闭合,J2、J3断开,电机工作并起吊砝码。当设定时间结束后,J1断开,J2、J3闭合。J2闭合后能使电表的指针保持在电机工作时的位置上,可长时间读数。J3闭合后,使电磁止动器对电机进行刹车,使砝码停止在提升的高度上,能方便地在标尺上读出砝码上升的高度h。

取下一组数据时,只需断开时间继电器开关,砝码自由落下回位,调节变阻器R,再闭合时间继电器即可。

制作介绍

底座、面板均用木料制做,标尺做成可以伸缩式折叠的金属管或其它形式。面板电路图用油漆画线,实际线路置于面板后,面板前各电路元件符号两边留有接线柱,使用时只需将电表及滑线变阻器按要求接上即可。

实验数据及结论

表1t=25s时U/VI/AP=UI/Wh/mh/UI118012502250783522301350311113363300465046517137表2U=18V、I=0125A时t/sh/mh/t125078031235106030350153031当电机工作电压在某一范围时,其效率可近似认为恒定,因此有h1/W1=h2/W2即h1/U1I1t1=h2/U1I2t2t一定时h1/U1I1=h2/U2I2(1)UI一定时h1/t1=h2/t2(2)由实验数据看出:结果与(1)(2)式吻合较好。

以上装置还可方便地对电机在不同状态下的效率进行测定,另外该装置引入一些简单的自动控制原理,使学生初步接触了机械和电气控制的结合,有利于激发学生的兴趣,对物理学习产生积极的影响。

永磁体仪器的维护与充磁

永磁体仪器主要包括条形磁铁、蹄形磁铁、小磁针和磁针等,这些仪器是中小学物理和自然实验中常用仪器之一。

有的学校因管理和使用不当,使仪器本身的磁性受到破坏,直接影响了实验效果。查其原因,除个别责任心不强外,确实有些管理人员没有掌握仪器的管理维护方法。

辽宁省教学仪器公司冯耕、辽宁省朝阳市第一师范学校张旭老师介绍的做法:

永磁体仪器应避免摔打、强烈震动

永磁体仪器是由铁磁中硬磁材料组成的,实验表明,它的磁性主要来源于铁磁质内部的电子自旋磁矩。当没有外磁场作用的条件下,铁磁质中的电子自旋磁矩可以在小范围内自发地排列起来,形成一个小的“自发磁化区”,称为磁畴,这时各磁畴的自发磁化方向是杂乱的,它们的磁场互相抵消;对外界不显磁性。当加外磁场进行磁化后,各磁畴的自发磁化方向就转向磁化场的方向,有顺序的排列好,铁磁质即被磁化了,磁体两端对外界显示出较强的磁作用,称磁铁的磁极。如果永磁体仪器受到强烈震动和剧烈热运动的影响,就会使磁化后的磁畴方向重新出现杂乱,甚至使磁畴瓦解,导致永磁体磁性消失。因此,在使用和保管中必须避免永磁体仪器震动、摔打和受热。

永磁体仪器存放时,应使磁路闭合

使永磁体磁路闭合,这是保持永磁体磁性的关键。永磁体仪器在存放时如果堆放、混放,各磁体的场就会杂乱无章、强弱不均,相互之间产生干扰,使磁畴的磁化方向受到破坏,从而导致永磁体仪器的磁性减弱、甚至消失。如果永磁体仪器受到其它强磁场的影响,也同样会使磁畴的磁化方向受到破坏。因此,永磁体仪器在存放时,既要保证磁路闭合,又要避免其它强磁场的影响,可按下述方法存放。

(1)条形磁铁(包括柱形、块形)要成对并放,异性相衔。如果只有一块条形磁铁,最好沿着磁方向放置,N极指北、S极指南,同时在磁铁上面放一条铁片,使磁路闭合。

(2)蹄形磁铁要成对对置,异性相衔。如只有一块蹄形磁铁要用铁片放在U形口上,形成闭合磁路。

(3)小磁针和磁针要两只为一对并放,异性相衔,并用纸包好,装盒保存,小磁针存放时,也可取一块泡沫塑料板,用电烙铁在其上烫许多同磁针轴大小一致的凹坑,然后将小磁针轴装入凹坑内,且异性相吸。

如果永磁体仪器使用年久,或使用和管理不当,出现退磁时,在没有现成的充磁机的情况下,可采用下述方法进行充磁。

a感应法将欲充磁的磁体放在蹄形磁铁的U形口上,异性相衔,经过一定时间后,即可使磁体充磁。当U形口较大时,可在蹄形磁铁的两极各衔上一块铁片,然后将欲充磁的磁体放在铁片上,构成闭合磁路。

b摩擦法将欲充

磁的条形磁铁或磁针平放在桌面上,用强磁体(如条形磁铁或扬声器上的磁铁)的一极(如S极),从欲充磁磁体的中央向异名极(即N极)慢慢摩擦,然后再用强磁体另一极(即N极),沿相反方向对欲充磁磁体的另一极(即S极)摩擦,这样反复多次,磁体便被充磁。用两块条形磁铁使异名极的一端挨上,形成V形,并使V形的顶端靠在欲充磁磁体的中央,然后同时向两端慢慢摩擦(异名极之间摩擦),反复多次,充磁更快。

c电流法

①用蹄形电磁铁充磁给电磁铁通电,并使两个线圈的电流方向相反,用小磁针查明其极性。当给条形磁铁充磁时让条形磁铁的一极接触电磁铁的一端,异性相衔,电磁铁的另一端也吸住一条形磁铁,两条形磁铁外端加上衔铁,构成闭合磁路,当给蹄形磁铁充磁时,两极直接接触电磁铁两端,且异性相衔。当给小磁针充磁时,在电磁铁两端各衔上一块铁片,小磁针通过铁片构成闭合磁路。电磁铁通电约1分钟,待断电10-20分钟后即可实现充磁。

②用直流电源和线圈充磁将教学万用变压器的0-220V的线圈套在U形铁芯上,给线圈通12-18V的直流电,用小磁针查明铁芯极性,然后将欲充磁的条形磁铁放在铁芯上,异性相衔,构成闭合磁路。通电约10分钟断一次电,这样反复几次,条形磁铁即被充磁。如果给蹄形磁铁或小磁针充磁时,在铁芯两端加上轭铁即可构成闭合磁路。

③用交流电源和线圈充磁用上述线圈和铁芯,取一只50A、400V的硅整流二极管,与线圈串联,再串联一段10A保险丝,把欲充磁的磁体放在铁芯或轭铁上。当线圈通入220V交流电时,保险丝即断,磁体实现充磁。如果一次充磁效果不好,重新更换保险丝,反复两到三次即可。