可拆解变压器的拓展应用

姚晦

摘 要：本文主要分析了利用可拆变压器验证楞次定律、验证电磁感应定律、定量研究E与ΔΦ/Δt的关系。

关键词：可拆变压器；电压表；灵敏电流计；楞次定律

电磁感应定律 实验设计

教学用的J2423型可拆变压器主要包括两个线圈和铁芯，我们通常是用它来进行变压器线圈的初、次级间电压、电流与匝数关系的定量演示、跳圈实验、远距离输电实验、阻尼摆感应灯等实验。笔者在多年的教学工作中还探索出可拆变压器的一些重要的拓展应用，简述如下：

一、 利用可拆变压器验证楞次定律

我们知道，俄国物理学家楞次在总结了大量电磁感应实验的基础上，发现了感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，这就是著名的楞次定律。

在课本的实验中是利用条形磁铁的一极插入或拔出线圈，使穿过该线圈中的磁通量增加或减少来使线圈中产生感应电流，从而探究楞次定律。笔者利用可拆变压器可从另一角度很方便地验证楞次定律。

（一） 实验器材

可拆变压器、选两个相同的线圈，分别作为原副线圈、两节干电池、滑动变阻器（最大阻值20Ω）、开关、灵敏电流计、直流电流表、导线若干。

（二） 实验过程

①按图1连接好电路，把滑动变阻器移到阻值最大处，闭合开关，此时电流表指针向右偏转（说明电流从变压器的“0”接线柱流入时，电流表的指针是向右偏的），同时可观察到灵敏电流计的指针也会向右偏转一下后回到零位置，说明在副线圈中电流会产生瞬间的感应电流，电流方向也从变压器的“0”接线柱流入。

②把滑动变阻器的阻值减少，可观察到电流表的示数增大，同时灵敏电流计的指针会向右偏移，说明副线圈中产生的感应电流方向从“0”接线柱流入。

③把滑动变阻器的阻值增大，可观察到电流表的示数减小，同时灵敏电流计的指针会向左偏转，说明副线圈中产生的感应电流方向从“100”接线柱流入。

（三） 实验结论

根据电流流向和线圈绕向，利用安培定则在实际实验中判断出原副线圈中电流产生的磁场方向是向上的，此磁场通过铁芯传到副线圈后的磁场方向是向下的。

1. 在步骤①、②中，通过原线圈的电流增加，由它引起的磁通量也增加，从灵敏电流计指针向右偏转，说明副线圈中电流方向也是从“0”接线柱流入，与原线圈电流方向一致，说明副线圈感应电流所产生的磁场方向是向上的（因为两个线圈是相同的），与原线圈在此产生的磁场方向相反，即当原磁通量增加时，感应电流产生的磁场方向与原磁场方向相反，阻碍原磁通量增加。

2. 在步骤③中，通过原线圈的电流减少，由它产生的磁通量也减少，根据灵敏电流计指针向左偏转，说明副线圈中感应电流方向是从“100”接线柱流入，从“0”接线柱流出，可判断出副线圈中感应电流所产生的磁场方向是向下的，与原线圈电流在此产生的磁场方向相同，即当原磁通量减弱时，感应电流产生的磁场方向与原磁场方向相同，阻碍原磁通量减弱。

通过上述简单直观的实验验证了感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

二、 利用可拆变压器验证电磁感应定律

电磁感应定律，它揭示了电路中感应电动势E的大小与穿过线圈的磁通量的变化率ΔΦ/Δt成正比，与线圈的匝数n成正比的规律。

在教材中通过用条形磁铁插入、拔出串接了灵敏电流计的闭合线圈，分析插入、拔出的磁铁的快慢与灵敏电流计指针摆动的幅度的关系，得出插入或拔出磁铁越快，磁通量的变化率越大，线圈中产生的感应电动势越大，从而得出了感应电动势与磁通量的变化率成正比的关系，这种结论的得出，笔者认为可信度不是很高，理由是根据这个实验只能得出磁通量的变化率ΔΦ/Δt与感应电动势E有正相关的关系，但不一定是成正比的关系，要得出成正比的关系，还需要用更有说服力的实验来验证。笔者在教学实践中设计了一个崭新的实验，可以定量验证电磁感应定律。

（一） 验证E与ΔΦ/Δt成正比

1. 定性研究E與ΔΦ/Δt的关系

①实验器材：学生电源、可拆变压器、数字式交流电压表、小灯泡、开关、导线若干。

②按图2接好电路，接通学生电源，当把可拆变压器的横条铁芯慢慢向左移动时，灯泡慢慢变亮，电压表的示数慢慢增大。当把横条铁芯慢慢向右移动时，则灯泡会变暗，电压表示数会慢慢变小，这是什么原因呢？根据变压器的工作原理可知，交流电通过原线圈时，铁芯中将产生峰值稳定且交变的ΔΦ/Δt，如果水平抽出横条铁芯时，整个“口”字型铁芯不再完全闭合，部分磁感线外泄，造成铁芯中的ΔΦ/Δt变小，从而影响感应电动势E的变化，通过这一实验可直观地显示出ΔΦ/Δt变小（大）、E也变小（大），但还不能确定是否成正比。还需要下面的定量研究。

2. 定量研究E与ΔΦ/Δt的关系

把两个可拆变压器组成一个“日”字型变压器，如图3所示，笔者在这个变压器的中间两根铁芯处用漆包线绕了一个80匝线圈作为原线圈，保留原变压器的线圈作为副线圈（400匝）。把原线圈与学生电源相连，电压调至交流4 V（实测4.1 V），把副线圈与数字式交流电压表相接，把左边变压器的横条铁芯固定好，右边的铁芯拆除，接通电源，此时电压表示数为20.3 V。再把右边的横条铁芯装回变压器并用固定螺旋旋紧（注意：一定要旋紧铁芯固定螺旋，否则有漏磁，实验误差会很大），此时电压表的示数立即变为10.3 V，这是为何呢？当右边的横条铁芯拆掉后，原线圈中电流产生的磁场全部传到左边的铁芯中。当把右边的横条铁芯重新装回时，原线圈中的磁场有一半传到了右边铁芯中，只有一半的磁场传到左边的铁芯中，造成ΔΦ/Δt减半，感应电动势E也刚好减半，综合上述两个实验就验证了感应电动势E不仅随磁通量的变化率ΔΦ/Δt增大而增大，而且是成正比的。

（二） 定量研究E与n成正比的关系

1. 实验器材

学生电源、可拆变压器、交流电压表、滑动变阻器

2. 按图4接好实验器材，把原线圈的“0”与“400”接入学生电源的交流电压10 V挡，使副线圈的匝数从少到多变化，记下不同的匝数n所对应的感应电动势E的示数，会发现随着n增加，E也增加且成正比例的增加。

通过对可拆变压器的创新应用，既加强了学生对楞次定律和电磁感应定律的理解，又提高了学生的观察能力、思维能力，更激发了学生进行科学探究的兴趣，点燃了学生心中创新的火苗，培养了学生的创造发明能力。endprint