一种交直流发电机原理全面解释示教装置

刘绍家

研究背景

中学物理课中，交直流发电机工作原理是一项重要内容，但学生对交流发电机和直流发电机的构造和原理理解困难，尤其对电流方向改变的规律理解困难。只能听老师口述，凭自己想象理解，不能形成感性认识，因而教学效果平平。

如能设计出线圈在磁场中作切割磁感线转动时，学生能用肉眼直接观察到线圈上产生了电流、线圈上电流的方向和输出的电流方向随线圈转动而改变，就很容易掌握交直流发电机的原理和电流方向改变的规律，从而收到事半功倍的教学效果。

示教装置的组成与结构

目前教师在讲解交直流发电机的原理时，电流及电流方向的变化学生看不见摸不着，只能听老师讲授，凭自己想象理解，不能形成感性认识。本发明就是为这一不足而提供的一种交直流发电机原理全面解释示教装置。演示装置只是起演示的作用，本身不产生电流。

装置结构见图l，装置实物见图2。

如图1所示，示教装置包括绝缘基板l、演示装置2、内隐装置4，绝缘基板l上设有演示装置2，演示装置右侧设有内隐装置4。

演示装置2包括第一支架21、第二支架22、第三支架23、转轴24、铜滑环25、换向器251、线圈26、磁铁27、电刷28、小金属滑环29、接线柱30。转轴从第一支架、第二支架、第三支架上方穿过，转轴的右端连有一摇柄31，第一支架的右侧转轴上设有一铜滑环和换向器，换向器和铜滑环右侧连有一线圈，线圈分别安装有两条相反的可视线，即第一线圈电流可视线261与第二线圈电流可视线262。第一支架设有2个接线柱30，其上套有小金属滑环，小金属滑环上设有电刷，电刷分别与铜滑环或换向器接触；在第一支架左侧设有一灯泡32，灯泡与第一灯泡电流可视线321、第二灯泡电流可视线322、第三灯泡电流可视线323相连。3条灯泡电流可视线分别与灯泡火线接线柱与灯泡零线接线柱相连，第一支架上的2个接线柱分别通过绝缘线与灯泡火线接线柱与灯泡零线接线柱相连，演示装置只是起演示的作用，本身不产生电流。

内隐装置4的主要构件为电流换向器41，它包括线圈供电换向器42和灯泡供电换向器43。

线圈供电换向器42为圆柱形，位于线圈26右侧套合在转轴24上，线圈供电换向器侧壁上设有2条竖形的金属触片，它对面的侧壁上也设有2条竖形的金属触片，金属触片之间相互绝缘，2条竖形的金属触片下方设有2个线圈供电电刷421，2个线圈供电电刷分别与外接的220V市电的火线、零线相连，线圈上的第一线圈电流可视线分别与2条竖形的金属触片相连，第二线圈电流可视线分别与对面的2条竖形的金属触片相连，外接的220V电源可以给第一线圈电流可视线和第二线圈电流可视线分别供电。这样，演示时就可以看见可视线中电流的方向。

灯泡供电换向器43为圆柱形，位于第二支架22及第三支架23之间，灯泡供电换向器43左端的侧壁上设有第一金属触片431，第一金属触片下方设有2个第一灯泡供电刷，2个第一灯泡供电刷串联在外接的220V电源火线上并与第一灯泡电流可视线321电连接；第二金属触片432位于灯泡供电换向器43背面与第一金属触片错开，第二金属触片侧面设有2个第二灯泡供电刷，2个第二灯泡供电刷串联在外接的220V电源火线上并与第二灯泡电流可视线322电连接。第三金属触片433位于第二金属触片右侧，第三金属触片是正反面对应的2块金属片，它的下方设有2个第三灯泡供电刷，2个第三灯泡供电刷串联在外接的220V电源火线上并与第三灯泡电流可视线323电连接。

装置的具体工作过程

演示交流发电状态时，将第一支架21上的电刷28移至与两个铜滑环25接触。接通电源后，摇动摇柄31，第一线圈电流可视线261点亮，可以看见线圈内电流的方向，外接电源通过第一金属触片431将第一灯泡电流可视线321接通，同时，灯泡32点亮，第一灯泡电流可视线321点亮，可以看见其内的电流方向，继续摇动摇柄使得线圈与磁铁垂直时，线圈中电流可视线熄灭，灯泡32熄灭，说明此时没有电流产生。继续向同一方向摇动摇柄旋转，第二线圈电流可视线262点亮，可以看见线圈内电流的方向与之前相反，外接电源通过第二金属触片432将第二灯泡电流可视线322接通，灯泡32点亮，第二灯泡电流可视线322点亮，可以看出第二灯泡电流可视线内的电流方向与之前的方向相反。

演示直流发电状态时，将第一支架21上的电刷28移至与换向器251接触。关闭第一灯泡供电刷及第二灯泡供电刷的电源，打开第三灯泡供电刷的电源，摇动摇柄，可以看到线圈中电流的方向始终一致，第三灯泡电流可视线323点亮，灯泡与可视线的电流方向总是只朝一个方向流动。

装置的优越性

本发明的优越性在于：线圈在磁场中作切割磁感线转动时，借助装置中的可视线，学生可以用肉眼直接观察到线圈上产生了电流，可以观察到线圈上电流的方向和输出的电流方向随线圈转动而改变，因此更容易掌握交直流发电机的原理和电流方向改变的规律，从而更好地激发学生学习兴趣，使教学效果更好，效率更高。

该项目获得第30届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科技发明类一等奖。

专家评语

这个发明很有创新思想，让观察者可以明显看到发电机产生的电流的流向，实在是一件非常好的示教设备。