跳环实验对改进电梯缓冲器的探究与分析

王文莲

（山西大同大学，山西 大同 037039）

跳环实验对改进电梯缓冲器的探究与分析

王文莲

（山西大同大学，山西 大同 037039）

跳环实验是电磁感应方面的演示实验。在一般情况下，互感原理是跳环实验现象出现的原因，然而互感对于跳环实验中当电压调节到一定值时，铝环可以长时间悬浮在一定位置这一现象并不能给予合理的解释。文章对跳环实验过程结果做了详细的分析，探究了该实验的实验原理，并把该原理运用于改进电梯的缓冲器上。

电磁感应；跳环实验；螺线管；铝环；电梯；缓冲器

一、引言

“跳环实验”常用来解释电磁感应现象，把一个软铁棒插入一空着的密绕螺线管中，然后把铝环套在软铁棒上，当打开交流电源开关后，螺线管通电，原本静止套在软铁棒上的铝环会向上跳起，除此之外，如果调整电压到一特殊值，铝环还会保持一定时间悬浮在螺线管上方某一位置。需要注意的是，通电时间如果超过30秒，就可能会烧坏螺线管[1]。当我们把两个相同的铝环套在软铁棒上后，打开交流电源开关，我们会发现两个铝环竟然都跳起，并离开了铁棒。由此可知，在这两次实验中作用在铝环和螺线管之间的作用力都是排斥力，怎样解释接通交变电流就可以产生一个始终是斥力的效应呢？以及如何解释为什么两个铝环叠在一起时跳起的高度却比一个铝环跳起的高呢？

二、跳环基础实验

1.实验原理

电磁感应：闭合导体放入电场中，随着穿过导体的磁通量的变化，线圈中会出现相应的电流。

法拉第电磁感应定律：通过线圈的磁通量变化地越快，线圈中产生的感应电动势ε越高，即。对于导体回路为多匝线圈，可定义全磁通：

楞次定律：闭合导体产生的感应电流会产生磁场，这磁场的方向总是与引起感应电流的磁通量的变化的方向相反[2]。

安培定律：通电导线在变化的磁场中会受到力的作用，满足F=IBL[3]。

麦克斯韦涡旋电场理论：磁场随时间变化，会在周围产生电场，其环流值并不为零，其值等于感应电动势，即

2.实验器材

一对完全一样的闭合的铝环（a环）、钻有多个窟窿的闭合的铝环（b环）、不闭合的铝环（c环）、闭合的塑料环（d环）、一个比a环大一圈的铝环（e环），一个带有一个小灯泡的线圈、橡皮泥、直尺[4]。

3.实验过程

实验1：将1个闭合的铝环（a环）、钻有多个窟窿的铝环（b环）、不闭合的铝环（c环）和闭合塑料环（d环）依次套在电磁跳环演示仪的铁棒上，打开电源开关，并观察跳环运动情况。

现象：a环和b环都会向上跳起，c环和d环保持原状。

实验2：首先把1个a环放入电磁感应跳环演示仪的铁棒上，打开电源开关，会看到a环跳起，等a环稳定悬浮在半空中时，再把大铝环（e环）慢慢地套入演示仪的软铁棒中，使e环与稳定的a环处在同一平面（近似），然后拿着e环轻轻地向上或向下移动，并仔细观察实验中铝环的变化。

现象：a环总是随着e环向上或向下运动[5]。

实验3：首先在电磁跳环演示仪的铁棒上慢慢地放进1个a环，打开电源开关后，可以看到a环向上移动，等a环近似静止在铁棒上时，再轻轻把另一个a环套入演示仪的铁棒上，逐渐靠近悬浮在铁棒上的a环，观察铝环的运动情况。

现象：当两环的距离越来越近的时候，原来的a环会猛然向上跳动，而后两环就会叠和。

实验4：把连接着一个小灯泡的线圈放入电磁感应跳环演示仪中，打开电源开关，观察小灯泡的情况。

现象：小灯泡发光。

实验5：分别将a环与b环放入电磁感应跳环演示仪中，（a环是闭合的铝环，b环是钻有多个窟窿的铝环），打开电源开关，两个小铝环都向上跳起，a环到达的最大高度为，b环到达的最大高度为，比较、的大小。现象：h1>h2[6]。

4.实验分析

实验1分析：因为a环和b环是闭合的铝环（铝质材料为导体），当打开电源开关时，螺线圈通电，通电螺线管一刹那会在周围空间产生相应的感应磁场，导致通过铝环的磁通量值瞬时增大，根据电磁感应定律以及楞次定律，铝环将会产生相应的感应电流来激发相对于通电螺线圈激发磁场相反的磁场来“抵抗”穿过铝环磁通量值的增加，根据安培定律可以判断出铝环受到的是向上的安培力作用（铝环所受安培力与铝环自身重力方向相反并远大于重力），所以在通电后铝环会向上跳。对于c环，虽然也是铝环，但c环不是封闭的，形不成闭合导体回路，所以无法产生感应电流，因此不会受到任何方向的安培力，且c环受到重力的作用仍静止不动在原地。d环是塑料环不是导体，不可导电，即无法产生感应电流，所以不受到安培力，仍静止在原地[7]。

实验2分析：当e环放入演示仪的软铁棒并移动时，e环由于电磁感应在自身形成闭合环路并产生感应电流，这感应电流又激发了磁场，在e环越来越靠近a环时，感应电流激发出来的磁场又会对a环产生影响。由楞次定律和安培定律可知，当e环在演示仪上上下运动时，由感应电流产生的磁场又会影响a环的磁通量。很显然，当e环向a环移动时，穿过a环的磁通量会增加，a环会沿e环移动的同方向移动，当e环远离a环时，同理，穿过a环的磁通量会减小，所以a环会追着e环移动，总之a环会随着e环一起向上（或向下）运动。

实验3分析：通电螺线圈的电流是交变电流，因而会产生变化的磁场，放入电磁感应跳环演示仪后会产生涡旋电场，把两个a环都放入时，它们都会产生涡旋电场，从而会产生感应电流，其方向相同。根据安培定律可知，电流方向相同的两根导线会产生吸引力，同理两个小铝环会产生引力，在两个铝环距离很近的时候，两铝环之间会产生远大于自身重力的吸引力，所以会看到原来的a环向上跳，两个铝环最终会叠在一起[8]。

实验4分析：根据麦克斯韦的涡旋电场理论，通电螺线管的线圈接交流电，通电螺线管在周围空间会产生磁场，而这磁场又会感应出电场，当连接着小灯泡的线圈放入这一磁场时（穿过线圈的磁通量矢量和不可为0），线圈就会产生感应电流，所以小灯泡发光。实验5分析：解释1：根据麦克斯韦的涡旋电场理论，电磁感应跳环演示仪通电后，通电螺线管会产生磁场，而这种磁场是变化的并会产生相应的电场。因为b环钻有许多小孔阻碍了涡旋电流的形成，而a环没有小孔，所以可以形成许多涡旋电流，所以a环的涡旋电流远远多于b环，再根据安培定律可以得知，a环受到的安培斥力比b环的斥力要大，因此a环跳的高度比b环要大，即h1>h2[9]。

再根据安培定律就可以得出a环受到的安培斥力比b环受到的安培斥力大，因此a环跳的最大高度大于b环，即h1>h2。

三、引伸实验

1.实验过程

将两个闭合的铝环（a环）都在环身粘一圈橡皮泥（只在环的下表面粘上），使橡皮泥突出铝环一定的高度，橡皮泥质量大约为铝环的2倍，两块橡皮泥一样重，并使橡皮泥粘在环上的位置也相同。测量橡皮泥的高度。

（1）在电磁演示仪开关还未打开时，拿一个粘好的铝环从电磁演示仪的铁棒顶端轻轻放下（有橡皮泥的一面朝下），观察铝环运动状态，并待落到底部后小心拿起铝环测量橡皮泥的高度。

（2）先打开电磁演示仪电源开关，同上，拿另一个粘好的铝环从电磁演示仪的铁棒顶端轻轻放下（有橡皮泥的一面朝下），观察铝环运动状态，并待落到底部后小心拿起测量橡皮泥的高度。

现象：橡皮泥的初始高度是1cm，实验中铝环快速落下，橡皮泥高度约为0.8cm；实验中铝环以较慢速度下降，橡皮泥高度约为0.9cm。

2.实验分析

实验分析：电磁演示仪打开后，在周围空间产生了感应磁场，铝环受到磁场的影响产生了感应电流，因此受到了向上的安培力，下降会比没有磁场时慢，而且根据橡皮泥的形变，可以看出有磁场的情况下，会减轻与底座的撞击[11]。

四、跳环实验的应用

近几年内，电梯事故频频发生，让人心有恐惧。虽然大家对电梯安全知识和各种注意事项了解的越来越多，但电梯惨剧还是不可避免。

电梯一般常用的安全装置是限速器、安全钳、缓冲器、光幕与安全触板。在这些装置里缓冲器的作用是减少震动，减轻对轿厢和在内的人与物的损害。是我们研究的主要对象。缓冲器一般使用液压缓冲器，液压缓冲器的组成部分分别为柱塞、液压缸、还有起复位作用的弹簧。在柱塞的上方有圆环形的小孔，可以节流，柱塞与液压缸之间注满油。当电梯压住缓冲器，柱塞会向下方压下，从而减小压缩缸的容积，把油压到回油孔，在回油孔形成涡流压缩缸体内的油，这样就可以把电梯对缓冲器的动能转化成热能[12]，减轻电梯对地面的撞击，保护电梯和人的安全。但是液压缓冲器只在电梯轿身接近地面时起作用，而从高处下降时人们从失重状态到突然落地后身体机制无法适应，会伤害到骨骼。

本文利用跳环实验原理对缓冲器在高处的缓冲作用进行了一些补充和改造。在电梯最底部安装一个大型电磁铁（通电螺线管），电梯的轿厢本身可以看作一个大大的铝环（轿身的顶与底需各留一个绝缘圈，使轿厢成为一个真正的大铝环，如果轿身都是导体，那么磁通量会为0）。当出现意外，电梯突然坠落时。打开电源开关（电源的开关可用遥控式开关，安在电梯乘客触手可及的地方，方便紧急情况使用），电磁铁接通交变电流后，会在周围空间产生磁场，穿过电梯轿身（铝环）的磁通量会急速上升，轿身就会受到磁场的作用产生感应电流来抵抗磁通量的增加，因此会受到向上的安培力的作用，从而在高处便可以减缓轿身的降落速度。这样再配合液压缓冲器在离地面近距离的缓冲，乘客便可以安全降落的地面。

五、结语

电磁跳环演示实验涉及到了包括电磁感应原理、法拉第电磁感应定律、楞次定律、安培定律、麦克斯韦涡旋电场理论、自感与互感等各种重要的电磁学基本原理，通过对电磁跳环演示实验的分析与探究，让读者更清晰地了解了自感在跳环实验中起到的作用，对自感有了更深入的了解，提高了对物理教学实验的兴趣，加深了对电磁学基础的理解，更好地掌握物理学理论知识[13]。此外利用电磁跳环原理应用于现实生活加深了实验的现实意义，把理论与实践相结合，为电梯目前存在的一些危险提出了意见，并简述了对于电梯改造的想法。

[1]梁灿彬，等.普通物理学教程：电磁学（第二版）[M].北京：高等教育出版社,2010.151-153.

[2]段吉辉，等.物理学演示实验手册[M].济南:山东教育出版社, 1988.37-38.

[3]杨昌权.关于跳环实验的分析[J].黄冈师范学院学报,1999,(6): 25-26.

[4]许智军.电磁学中的跳环实验探究[J].通化师范学院学报,2011, (2):12-13.

[5]张德启.跳环实验解析[J].济宁师专学报,2000,(3):22-23.

[6]朱永忠.跳环实验浅析[J].安庆师范学院学报,1997,(1):33-34.

[7]蔡敏.以问题为引导的物理教学实践[J].理通报,2011,(3):12-13.

[8]朱向阳,施国富.磁炮式跳环实验[J].教学仪器与实验,2010,(11): 77-78.

[9]王京穆.探究感应电流的产生条件[J].物理教学探讨,2012,(7): 53-55.

[10]周长春.五种版本教材编排电磁感应内容的比较[J].中学物理教材参考,2012,(8):77-78.

[11]汪慧琴,曹建华.对运动电荷产生磁场的研究[J].中学物理:高中版,2009,(3):11-12.

[12]moussa,G,Hawkyard,J.B.INVESTIGATION INTO MULTISTAGE RING ROLLING OF ALUMINIUM BICYCLE WHEEL RIMS[J].International Journal of Mechanical Science,1986,(4): 43-44.

[13]Xunming,Cai.Electromagnetically Induced Transparency and Absorption of A Monochromatic Light Controlled by a Radio Frequency Field[J].Communications in theoretical Physics,2015，(2):65-66.

The Exploration and Analysis of Skip Ring Experiment to Improve Elevator's Bumper

Wang Wen-lian
（Datong University,Datong Shanxi 037039，China）

Skip ring experiment（floating ring experiment） is a typical experiment in physical teaching which demonstrates the phenomenon of electromagnetic induction.General explanation of skip ring experiment phenomenon is caused by mutual inductance,but it can't explain the phenomenon properly.When the voltage is regulatored to value,aluminum ring can be suspended in a certain position for a long time.This paper made a detailed introduction to the jump ring experiment and analysis and probed into the experimental principle.And apply this principle to improve elevator's bumper.

skip ring experiment;electromagnetic induction;solenoid;aluminum rim;elevator;buffer

TV857

A

1672-0547（2015)04-0108-03

2015-07-16

王文莲（1978-),女,山西大同人,山西大同大学大同师范分校讲师,硕士,研究方向：大学物理教学和物理课程教学论。