巧设脉动开关探究直流电能的传输

黄春如 熊小兰

(江西省樟树市第三中学,江西樟树 331200)

1 问题提出与概述

变压器[1][2]是以互感现象为基础的电磁装置,它的原理结构如图1所示,绕在同一铁芯上的两个线圈(或称绕组),联接到电源上的称为原线圈(初级线圈、初级绕组),联接到负载上的称为副线圈(次级线圈、次级绕组),两个绕组的电路一般彼此不联通(自耦变压器例外),能量是靠铁芯中的互感磁通来传递的.

图1

在交变电流的作用下,电流通过原线圈时在铁芯中激发磁场,由于电流的大小、方向在不断变化,铁芯中的磁场也在不断变化.变化的磁场在副线圈中产生感应电动势,所以尽管两个线圈之间没有导线相连,副线圈也能够输出电流.

从大学教程和现行高中课本不难看出,变压器教学中均以交变电流的传输为前提,这并没有错,因为交流电是我们生产和生活的基础.但笔者认为,变压器在突出交流电传输主体教学的同时,为更好地体现“新课改”注重培养学生的科学素养,创新精神和实践能力,建议在教学中增加变压器对直流电传输问题的探究.这一建议来源于一次变压器课堂教学之后的问题测试.问题:变压器能否传输直流电?学生不假思索地会回答:不能.

变压器不能改变恒定直流的电压,但可以改变脉动直流的电压,起到电能传输的目的.以此为原理设计的产品在现实生活中大量使用:

图2

(1)汽油机点火装置一[3].汽车中汽油发动机的点火装置是利用感应圈的原理制成的.感应圈是互感现象的重要应用之一,它实际上就是一个小功率的升压变压器,它能将十几伏的直流低电压变成数万伏的高电压,是科学实验中经常用来取得高压的一种电源设备.其结构原理如图2所示,当螺旋调节器触点Z与带有铁头的弹簧片P接触时,合上电源开关S,初级线圈中有恒定直流通过,于是铁芯被磁化吸引弹簧片,但此时却切断了电路.铁芯失去磁性便放开弹簧片,弹簧片又与触点Z接触,电路再度被接通.如此不断地重复下去,低压恒定直流就变成了脉动直流.……

(2)汽油机点火装置二[4].汽油机做功冲程开始时,汽缸中的汽油—空气混合气体要靠火花塞点燃,但是汽车蓄电池的电压只有12 V,不能在火花塞中产生火花,为此设计了如图3所示的点火装置,这个装置的核心是一个变压器,它的初级线圈通过开关连到蓄电池上,次级线圈接到火化塞的两端,开关由机械进行自动控制,做功冲程开始时,开关由闭合变为断开,这样就能在火花塞中产生火花了.

图3

为使学生更好地经历科学探究过程,认识科学探究的意义,尝试应用科学探究的方法研究物理问题,验证物理规律.在“交变电流—变压器”一节教学之后,我们在图 3的基础上进行了改革和创新,设计了一种新的直流变压器供学生学习探究.这种装置取材容易,结构简单,方便学生合作性学习探究,且效果明显.

直流变压器的关键之一是设计出简单实用的脉动开关,使初级直流通断变化,在原线圈中提供变化的磁通,实现电能的传输.实验原理如图4所示,脉动开关采用简易电动机获得,电机转动时它的转轴作为“自动通断电装置”,它可以把由电池供给的直流电改变为时有时无的脉冲电流,从而使线圈在转动的一周内,只有半周线圈中有电流,此时在磁场力作用下线圈加速旋转,另半周线圈中无电流,这时线圈依靠惯性转动.这样的设计使图3中由机械进行自动控制的开关变为一般情况下可制作且能实现持续通断的开关.为有利于学生探究活动的开展,体验变压器的构造与功能,固定不可拆的变压器铁芯用废旧行输出变压器中的磁芯替代.原、副线圈用漆包线在 PVC管(或纸筒、竹管均行)上绕制.火花塞用发光二极管替代.为使电路初级回路中的电流可控,在图3的基础上增加了开关、滑线变阻器、电流表.

图4

2 实验装置制作

2.1 工具与材料

尖嘴钳,小刀.小磁铁,漆包线,裸铜线,胶带纸,直径约2 cm、高约3 cm的 PVC管两段(护线管),导线,开关,滑线变阻器,直流电流表,木板,图钉,废旧手机电池,废旧电视机行输出磁芯,发光二极管等.

2.2 制作过程

(1)以一长约45～50 cm、宽约25～30 cm 的长方形木板为底座,在底座上放置小磁铁,磁铁两侧各用一根直径1～2 mm、长约10～12 cm的裸铜线做一线圈支架并兼作线圈与电源间的连线.

(2)将直径约0.5 mm、长约200 cm的漆包线以手机电池为骨架(或长方形木块)在其上绕 10～12圈,两端各留2 cm作为引出线,2根引出线从线圈的正中引出,且两引出线的连线基本通过线圈的重心,使两引出线作转轴时能保证线圈平稳转动,用胶带纸或细线将线圈扎紧.

图5

(3)把线圈平放在桌面上,用锋利的小刀将线圈两端引出线(兼作转轴)与支架接触部分的下半圈绝缘漆刮去(注意:另上半圈上的绝缘漆要保留着),即制成一“自动通断电装置”,也是本文中的核心部件“脉动开关”.

(4)把线圈的两引出线分别装在裸铜线支架上方的圆环中,使其可以灵活转动.如发现线圈两侧不平衡,可略为调整轴线的位置或在轻的一侧粘贴胶带纸作为配重.调整线圈与磁铁间的距离,找到一个最佳位置,使线圈不仅能转动,而且能转得较快.

(5)将直径约0.5 mm漆包线密绕在PVC管上制作原、副线圈:绕40～60圈作初级线圈;绕30～50圈作次级线圈,并连上发光二极管.制作器件实物图如图5所示.

3 实验过程与分析

(1)按图4连接好电路.移开磁铁,使转子线圈置于支架上,在磁铁位置放上一枚小磁针,并使磁针处在线圈的正下方,磁极方向与转子线圈下边平行;与原线圈连接的二极管接成反向.闭合开关,观察磁针是否偏转(解释成因).改变变阻器阻值,使初级回路电流约0.4 A(由于反向连接,此时与原线圈相连的二极管不发光),再断开开关.

(2)移开小磁针,移回磁铁,使转子线圈置于支架上,闭合开关,使电动机能正常转动.观察电流表指针指示情况;观察与原线圈、副线圈相连的二极管发光情况,用已学知识解释看到的现象.(使副线圈上下位置对调套在磁芯上,观察变化前、后二极管发光情况,从而判定副线圈中电流的方向.用示波器观测变压器初、次级两端的电压波形,用电磁感应知识解释其原因)

(3)闭合开关前后,用手提磁芯上半部分,比较前、后两次手用力大小的异同,并注意磁芯作用产生声音的异同,解释发生的现象.(闭合开关前铁芯上下两部分间无磁力作用,闭合开关后铁芯上下两部分间磁力作用非常明显.通电时由于磁力的作用,磁芯间有碰触的声音.通过这些体验,使学生明确变压器原、副线圈中的“电”是通过铁芯中的“磁”来“相互”联系的.接通电源,铁芯被磁化,并不带电,铁芯吸合在一起构成闭合磁路,铁芯内部有磁场,磁场是具有能量的.变压器就是把电能通过磁场能再转换成电能的装置)

(4)对换原、副线圈后接入电路,闭合开关后,观察二极管发光亮度有无变化.对比前后两次结果,定性分析亮度与匝数间的关系.

(5)改变电源极性或改变磁铁极性(上下倒置),闭合电路后观察转子旋转方向有无变化.解释看到的现象并检验安培力左手定则.

上述实验对培养学生的科学素养、创新精神和实践能力十分有效.由于取材容易、制作简单、原理清楚,在进行合作性探究学习的过程中,学生动手的积极性空全高涨,兴趣浓厚,而且对观察到的现象能运用所学知识进行解释.

1 赵凯华、陈熙谋.电磁学(下册).北京:高等教育出版社,1984.251～261

2 普通高中课程标准实验教科书.物理选修 3-2(第2版).北京:人民教育出版社,2006.39～42

3 普通高中课程标准实验教科书.物理选修 3-2.教师教学用书(第4版).北京:人民教育出版社,2010.115～117

4 普通高中课程标准实验教科书.物理选修 3-2.教师教学用书(第4版).北京:人民教育出版社,2010.120