跳圈实验的启示

余念祖

(昆明市第十二中学 云南 昆明 650041)

楞次定律是电磁感应中一个十分重要的定律，然而，笔者却发现目前教科书中有关楞次定律的表述与“跳圈实验”不完全相符.我认为，该定律的描述存在缺陷，需要纠正.2012年笔者又仔细地重做了跳圈实验，实验结果是成功的，再次证实了楞次定律的描述存在问题.现把这个实验的情况及笔者的分析介绍给大家.

笔者实验的目的是要观察“跳圈”(实际就是几个铝和铜的闭合线圈)在下述几种情况下的运动，以证实笔者多年的怀疑.实验分3种情况进行.

1 有铁芯时的实验

(1)实验器材

铁芯1个(一捆几十根长约40 cm的软铁丝)，金属线圈3个，即铝圈a(较厚约2.4 mm)、铝圈b(较薄约0.5 mm)、铜圈c，原线圈(由多匝的漆包线绕成)1个，插头和按钮开关各1个,导线若干.

(2)操作和观察

1)将原线圈竖放(即线圈的中心轴在竖直方向)，插入铁芯，也使其竖直.接到220 V交流电路上(开关是断开的)，铁芯套上铝圈a，按下按钮接通电路(时间要短,因导线过细、电流过大)，观察到铝圈a迅速跳起约50 cm高(图1).

图1 用铝圈a进行实验

将原线圈倒过来竖放再做，a圈仍然迅速跳起约50 cm高，没有差别.

2)其他不变，将铝圈a换成b圈，短时接通电路，观察到b圈跳起约25 cm悬于空中，说明此处向上的推斥力等于重力，倒过来放也是一样(图2).

图2 用铝圈b进行实验

3)其他不变，把铝圈b换成铜圈c.短时接通电路，观察到c迅速跳起约53 cm高.(图3)

图3 用铝圈c进行实验

这就是有铁芯的跳圈实验.实验中3个金属圈都跳起,说明它们都是被推斥的.这就明显地与楞次定律不符了.因为按楞次定律,实验中两个线圈(即原线圈和副线圈)之间的作用不全是推斥，也不全是吸引.然而，观察到的却全是推斥.为说明这个问题，需仔细分析一下.

结合电磁感应定律，上述变化可用图4表示.为简明一点，原电流i和原磁通量Φ用同一曲线表示，感生电流i′和感生磁通量Φ′用同一曲线表示.

图4

2 无铁芯的实验

(1)实验器材

悬挂的支架1个,约1.3 m的悬线2根,小夹子2个，其余器材与以上相同.

(2)操作和观察

由于去掉了铁芯，磁场的作用力会大为减小，原线圈需平放(轴线在水平面上)，依次将a,b,c三个副线圈悬挂起来，尽量靠近原线圈的端部且尽量使它们的轴在同一直线上.

1)悬挂a圈，接好电路，用按钮短时接通电路，观察到a圈被推开约9 cm(图5).

图5 去掉铁芯后用a进行实验

2)悬挂b圈，用按钮短时接通电路，观察到b圈被推开约2 cm(图6).

图6 去掉铁芯后用b进行实验

3)悬挂c圈，用按钮短时接通电路，观察到c圈被推开约4.5 cm(图7).

图7 去掉铁芯后用c进行实验

根据以上实验，无铁芯时照样被推斥，可见a,b,c三个副线圈之所以被推斥并非因为“磁滞”的缘故，“磁滞说”不能成立.同时,还说明图4所表示的是不对的，应当如图8所示,两磁场的方向总是相反才符合实际.“楞次定律”的普遍适用性受到了质疑，至少在连续交变的磁场中该定律是不符合的.

图8

3 不同轴时的实验

所谓不同轴就是将a,b,c圈悬放在原线圈旁边的位置而不是在端部，它们的轴不在同一直线上.

(1)实验器材

铁芯1束，其余的与第二部份的相同(已证明是否推斥与铁芯有无无关)

(2)操作和观察

分别将a,b,c三个圈悬挂于原线圈旁正中间，使它们的轴平行且尽量靠近，接好电路，用按钮短时接通电路.观察到悬挂a时，a被推开约3 cm，悬挂b时b被推开约0.5 cm，悬挂c时c被推开约0.8 cm.而且推开的方向都是垂直于轴向外(图9～11).利用图12进行说明.图12中副线圈是a，原线圈是L.

图9 不同轴时用a进行实验

图10 不同轴时用b进行实验

图11 不同轴时用c进行实验

图12

现在利用已判断出的在a圈中感生电流的方向，再根据通电螺线管右手定则可判断出a圈所围面积内的磁感线方向(即感生磁场方向),在图12(a)中是垂直纸面向里(图中未画出)；在图12(b)中是垂直纸面向外(图中未画出).可见在原电流磁场的外磁路中a圈所围面积内,两个磁场的方向也总是相反的.

由以上全部实验中所观察到的现象可以得出如下结论:

(1)目前，教科书表述的楞次定律不能解释上述种种现象.特别是连续交变的磁场中，磁通量的变化在闭合导体中产生感生电流，其感生磁场不是简单地用“增加”或“减少”去“阻碍”原磁通量的变化，而是根本性的用反方向的感生磁通量变化去反抗原磁通量的变化.原磁通量变化率大时，则反向的感生磁通量变化率也大；反之，前者变化率小时，则后者反向的变化率也小.后者总要削弱前者变化的幅度(但不会完全抵消).

我们还可以大胆地设想，磁场本有保持不变的性质.如果在某一区域磁场发生如上所述的交变，其中恰有闭合导体产生了感生电流，那么,感生电流的磁场一定要反抗原磁场的变化，使变化幅度减小.

(2)既然两变化磁场的方向总是相反，因此,它们间的作用总是排斥的，这也表现出在作用力方面的反抗性.如果质量较小的副线圈是自由可动的，它还会被推斥远离变化源，正如我们在上述实验中观察到的那样.

这些就是实验给我的启示.它所提示的规律应当用于实际的技术中，例如，三相感应直线电动机和磁悬浮列车的技术中，也许还可能应用于火箭初始的冷发射，以解决发射初期向地面喷火的问题.