对电磁感应发电仪的定量分析

孙佩雄 高婉滢

（天津师范大学，天津 300387）

法拉第电磁感应定律是电磁学中一个极为重要的定律.分析可查到的资料文献，大多数有关法拉第电磁感应定律的实验只是单纯定性地说明感应电动势的大小与磁通量的变化有关，缺乏定量的实验.笔者对电磁感应发电仪实验装置进行了改进，设计了一个简单易行的定量实验，该实验必须由电磁感应发电仪与数字示波器配合使用.

1 实验原理

2 实验装置

（1）转子：在废旧光盘内侧对称位置粘上4块磁场强度数值相同，形状一样的钕铁硼磁铁（如图1所示），注意强磁铁磁场方向一致；用可拆分塑料纽扣将位于中心的小电机与光盘相连接，以带动光盘旋转.

图1 转子

（2）定子：用直径φ＝0.22mm 的漆包线绕400匝线圈1只、500匝线圈3只、600匝线圈1只；用细砂纸打磨线圈两端的漆包线，去掉漆皮，露出铜线；用有机玻璃板和螺丝搭建一个台子，将另一张废旧光盘粘在有机玻璃板正中央；将5只线圈摆放在光盘内侧，呈五角形，用胶带固定（如图2所示）.

（3）仪器组装：用铁架台夹子夹住小电机，将转子固定在定子上方1cm 处；用导线将小电机与YB1732A 直流稳压电源、开关串联；用导线将线圈与DS1052E 数字示波器输入通道相连接（如图3所示）.

3 实验过程

3.1 探究感应电动势E与磁通量变化率的关系

1）实验步骤

将一枚500匝线圈两端与数字示波器的通道1相连接；闭合电源开关，打开数字示波器，按下自动设置按钮，示波器将自动使波形显示达到最佳；在此基础上，利用水平、垂直挡位对波形进行微调，直至波形的显示符合要求；按下测量按钮以显示全部测量，记录其中的Vrms（电压均方根值）对应数字；调节电源电压，在1—5V 范围内每隔0.5V 测量一个感应电动势的值，将对应数据记录在表格中；重复上述步骤，多次测量取平均值；将测量数据输入Excel进行数据处理.

2）实验数据与分析

在数字示波器上我们可以看到，对应强磁铁每扫过线圈一次，就会得到一个图像.每个图像分为上下两个部分，分别对应着磁铁靠近和远离线圈时感应电动势的变化情况（如图4所示）.

图4 示波器图像显示

由于感应电动势的大小随时间不断变化且为交流信号，所以可以取感应电动势的均方根值（即有效值），如图4所示，本文所提供的数据、图像均为笔者在实验过程中由数字示波器导出的.表1为实验过程中的6次不同电源电压下的感应电动势数据及平均值.

表1 不同的电源电压下的感应电动势数值

图5 感应电动势－电源电压关系

3.2 探究感应电动势E与线圈匝数n的关系

1）实验步骤

将一枚500匝线圈两端与数字示波器的通道1相连接；闭合电源开关，调节电源电压为3V；打开数字示波器，按下自动设置按钮，示波器将自动使波形显示达到最佳；在此基础上，利用水平、垂直档位对波形进行微调，直至波形的显示符合要求；按下测量按钮以显示全部测量，记录其中的Vrms（均方根值）对应数字；将线圈依次换成400匝、600 匝，重复上述步骤，将对应数据记录在表格中；将测量数据输入Excel进行数据处理.

2）实验数据与分析

表2为实验过程中分别对应400匝、500匝、600匝线圈中产生的感应电动势数据及平均值.

表2 （电源电压设置为3V）

将上述数据中的线圈匝数和感应电动势的平均值输入Excel，点击插入图表，以线圈匝数为横坐标，绘制“感应电动势－线圈匝数”关系图，并进行线性拟合（如图6所示）.我们不难发现在误差允许范围内，感应电动势成比例增加，即感应电动势E 与线圈匝数n 成正比.

图6 感应电动势－线圈匝数关系

以上实验可以测得多组磁通量变化率、线圈匝数和感应电动势的值，对数据进行处理可以定量地得出法拉第电磁感应定律.

4 实验不足与改进

在实验过程中，由于实验条件受到一定限制（比如：小电机额定电压比较低、转子达到一定转速时钕铁硼磁铁会被甩出去等），各种实验数据的采集不够广泛，虽然采集到的数据已经能说明一些问题，但今后还需要改进实验条件，进而采集更多数据使实验更加精准.

［1］梁灿彬，等.普通物理学教程：电磁学［M］.2版.北京：高等教育出版社，2004：221.

［2］吴迪男，吴志祥.法拉第电磁感应定律数字化实验仪［J］.物理实验，2009，29（10）：20－22.

［3］杨国仁，等.基于数字示波器的综合性实验设计［J］.大学物理，2007，26（2）：32－34.

［4］王志斌，等.研制实验装置定量探究法拉第电磁感应定律［J］.教学仪器与实验，2011，27（7）：34－36.