双管对比式楞次定律演示装置

庄明伟,余志文,梁 爽,李保申,梁志强

(1.山东交通学院数理系,山东济南250023; 2.东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110819; 3.山东大学威海分校数学与统计学院,山东威海264209)

双管对比式楞次定律演示装置

庄明伟1,余志文2,梁 爽3,李保申1,梁志强1

(1.山东交通学院数理系,山东济南250023; 2.东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110819; 3.山东大学威海分校数学与统计学院,山东威海264209)

利用圆柱形强磁铁在铜管中下落并与同尺寸圆柱形铁块自由下落相对比以验证感应磁场对强磁铁的阻碍作用,再利用螺线管配合发光二极管演示强磁铁进出螺线管时感应电流方向的变化,从两方各面验证了楞次定律.另外,利用本装置还可测量闭合回路中的感应电流等物理量.装置结构简单且可拆卸,具有组装快捷,操作方便等特点.

楞次定律;强磁铁;感应电流

1 引 言

楞次定律是德国物理学家海因里希·楞次1834年发表的,可表述为:闭合导线回路中出现的感应电流,总是阻碍产生感应电流的原因.演示楞次定律的装置有多种,例如:

1)旋转式演示装置

将强磁铁分别插入、拔出闭合的金属环和有缺口的金属环,观察悬臂的运动.此装置可演示阻碍作用,但不易直观演示感应电流方向的变化规律,且金属环面积较小时,磁铁移动易与其发生碰撞,影响演示效果.

2)电流表式演示装置

将螺线管两端引线与电流表串联组成闭合回路,根据表针偏转判定感应电流方向.此装置可演示电流方向的改变,但不能直观地观察到“阻碍作用”.

还有其他诸多类型的演示装置[1-4],但与上述两例类似,在演示楞次定律方面均存在一定缺憾,演示效果尚待改善.

2 双管对比式演示装置

2.1 演示装置的结构

楞次定律表明,闭合回路中的感应电流产生的磁场,总是阻碍穿过该回路磁通量的变化.回路中感应电动势、感应电流的表达式为[5]

期望装置不仅能够演示“阻碍作用”,同时还能展现“感应电流方向的变化”,从而较全面验证楞次定律.另外还期望装置具有演示效果显著、操作方便等特点.

为了直观、显著地演示“阻碍作用”,选用了铜管.因为铜管相当于密绕螺线管,同时又具有电阻较小的特点,所以微小的磁通量变化就可以产生足够大的感应电流,从而获得较显著的演示效果.所取铜管内径为16 mm,长度为1 m.

发光二极管具有能耗低、亮度高、单向导通等特点,可以用来直观显示强磁铁进出螺线管时感应电流方向的变化.首先将5支红色发光二极管同向并联,再将另一组发光二极管(最好为不同色彩且反差较大)组合,将2组二极管反向并联在螺线管引线的两端并固定在铝塑板材上,如图1所示,再将相关电路图画在铝塑板材上以便示教.选用直径15 mm、高15 mm的圆柱形强磁铁和尺寸相同的圆柱形铁块各1枚,作为螺线管、铜管中的下落物体.

螺线管由φ=1 mm的漆包线密绕在PVC管上制成.缠绕前将PVC管壁挖成网状,以增大螺线管的磁通量变化率,获得较理想的演示效果.

演示时,将铜管、螺线管竖直固定于铝塑板材上,整个装置由三足实验支架支撑如图1所示.铜管、螺线管与铝塑板材可拆卸分离放置.

2.2 演示实验

1)感应电流方向变化的演示:如图1让圆柱形强磁铁N极向下从螺线管中下落,可观测到红色二极管先亮,绿色二极管后亮.若强磁铁S极向下下落,则先观测到绿色二极管先亮,红色二极管后亮.

图1 双管对比式椤次定律演示装置原理图和实物图

2)阻碍效应的演示:若让圆柱形强磁铁从铜管中下落,可直观演示感应电流产生的阻碍效果.强磁铁在铜管中下落用时约14 s,而圆柱形铁块用时约1 s(管壁存在摩擦),对比效果显著.

3 结论与讨论

1)由演示实验可知:圆柱形强磁铁进、出螺线管均产生感应电流,且方向相反,说明线圈磁通量的变化引起感应电流的变化.再结合圆柱形强磁铁在铜管中下落的时间较长,说明感应电流产生的效果总是阻碍强磁铁在铜管内的运动,阻碍产生感应电流的磁通量的变化.由此较全面地验证了楞次定律.

2)由以上论述还可得如下结论:若已知闭合回路的电阻,利用本装置又测得相应感应电流,则由(2)式就可得到闭合回路中感应电动势的数值.反之,则可获得闭合回路感应电流或电阻等物理量.从而给出一种验证电磁感应定律可行的途径.再者,结合其他仪器还可研究强磁铁在铜管或螺线管中下落时所受磁力等问题.

[1] 王凤林,杨红.如何增强涡流管课堂演示实验的效果[J].大学物理,2006,25(10):53-54.

[2] Ochoa O R,Kolp F.Quantitive demonstration of Lenz’s Law[J].Phys.Teach.,1998,36(1):50-51.

[3] 姜洪喜,杜广环.楞次定律演示实验设计[J].物理实验,2004,24(11):34-35.

[4] 刘立钢,赵学平.楞次定律实验验证——磁炮[J].大学物理实验,2009,15(3):46-51.

[5] 陈鹏万.电磁学[M].北京:人民教育出版社,1978: 193.

Double barrel demonstrator of Lenz law

ZHUANG Ming-wei1,YU Zhi-wen2,LIANG Shuang3,LI Bao-shen1,LIANG Zhi-qiang1
(1.Department of Mathematics&Physics,Shandong Jiaotong University,Jinan 250023,China; 2.College of Information Science&Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China; 3.College of Mathematics&Statistics,Shandong University,Weihai 264209,China)

This paper presents the improvement scheme of a Lenz law demonstrator aimed to solve some problems of the current instruments.The dropping process of a powerful magnet in a copper tube is compared with that of an iron bulk with the same size and shape to verify the resisting effect of an induced magnetic field to the magnet.The directions of an induced current in a solenoid are visualized using two groups of light-emitting diodes when the powerful magnet passes through the solenoid.

Lenz law;powerful magnet;induced current

G633.7

A

1005-4642(2010)06-0023-02

[责任编辑:尹冬梅]

2009-11-06;修改日期:2010-03-02

教育科学“十五”国家级重点课题子课题项目(No.AIA050007-13);山东交通学院学生学术科技活动项目;山东交通学院教改项目(No.J G2008007);山东省基础学科建设专项资金项目

庄明伟(1988-),男,福建三明人,山东交通学院数理系应用物理专业2007级本科生.

指导教师:梁志强(1955-),男,山东莱阳人,山东交通学院数理系教授,学士,主要从事理论物理及物理教学研究.