电磁现象原因剖析及演示装置制作要领

王伟民 杨培军

安徽省太和县宫集镇中心学校(236652) 安徽省阜阳市教育科学研究所(236000)

1 两个有趣的电磁现象

如图1(a)所示，将圆柱形磁铁置于水平桌面上，将1节干电池放在磁铁的上方，并保持磁铁与电池负极良好接触。取一外形呈M状的裸线圈套在电池外,如图1(b)所示。线圈向内突起的部分置于电池的正极上，两端弯成圆弧状的两部分从电池两侧压在磁铁的侧面。松手后，观察到线圈快速的旋转起来。

图1 电磁现象1

如图2所示，将1节干电池夹在2个相同的圆柱状磁铁之间并固定(因电池的正负极多是磁性材料，两磁铁会“自动”吸引电池的两极而固定)，保持电池两极与两磁铁良好接触，将磁铁与电池组成的系统塞进一个裸露的铜质弹簧线圈内。当两磁铁都与弹簧线圈接触后，电池与磁铁组成的系统如同出堂的子弹一般，快速地从弹簧线圈一端“射”到另一端。

图2 电磁现象2

如果将这两个实验以课堂演示的方式引入到电与磁板块相关内容的教学之中，学生的学习兴趣定会十分浓厚。再结合教学内容，引导学生对形成该现象的原因作深入的理论剖析，将会收到良好的课堂教学效果。

为便于分析，给这两个实验分别命名为“简易电动机模型实验”和“电池穿越弹簧隧道实验”。

那么，产生这两个有趣实验现象的原因何在？如果作为课堂演示实验，在制作实验装置时应该注意什么问题？

2 简易电动机模型实验

2.1 实验现象原因剖析

如图3所示，(a)(b)两图是简易电动机模型的结构示意图。假设圆柱形磁铁的N极与电池的负极相连，不妨以线圈平面与纸面平行的状态进行分析(由于圆柱形磁铁周围空间的磁感线是以圆柱体的轴线为对称轴的旋转对称图形，所以线圈在空间内其他任何位置时的空间受力分析。结果是一样的)。如图3(c)所示，M状线圈的ab边和cd边通入的电流方向相同，均为竖直向下。但这组对边所在处的磁场方向不同，ab边所在位置的磁场方向向左，cd边所在位置的磁场方向向右。根据左手定则可以判断，ab边受到垂直纸面向里的磁场力，cd边受到垂直纸面向外的磁场力。所以，这组对边在方向相反的磁场力的作用下，会绕其竖直的中轴线不停的按顺时针方向转动(从上往下看)。当然，如果调换磁铁南北极的上下位置，或者调换电池正负极的上下位置，线圈的转动方向都将改变，会由原来的顺时针方向转动改变为逆时针方向转动(从上往下看)。

2.2 简易电动机模型的制作要领

该简易电动机模型构造简单，制作方便，圆柱形磁铁既是磁场的提供者，又是电路不可或缺的一部份。学生实验时，经教师指导后也可以“轻易”制作成功，但一些细节问题必须加以注意，具体如下。

2.2.1 磁铁应选择强磁性磁铁

在线圈长度和通入的电流一定的情况下，只有线圈所处在的磁场足够强，才能产生足够的磁场力，以克服各接触点的摩擦力(包括线圈与电池正极间的摩擦力和线圈两端与圆柱体磁铁侧面间的摩擦力)，维持线圈的持续转动。否则，如果磁铁磁性较弱的话，即使通电后磁场中线圈竖直的两边因受到的力较小可能无法转动。实验室或商店出售的扣式圆柱形磁铁，通常磁性很强，可用来作为简易电动机模型的“部件”，制作的成功率也较高。要注意的是，很多磁铁的表面涂有绝缘漆，实验前必须用锉刀将绝缘漆锉掉，否则线圈无法通电旋转。

2.2.2 线圈的两端与磁铁的侧面应保持良好接触且压力适中

如果线圈的两端与磁铁的侧面接触不良，线圈处于断路状态，没有电流通过，不会受到磁场的作用力，线圈便不会转动。所以，必须保持线圈两端的部分与磁铁的侧面有足够的压力。为此，在线圈套在磁铁之前，弯成圆弧状的两端的间距应该调整为比磁铁的截面直径略小，只有这样，将线圈套在磁铁上之后，线圈两端的部分才会对磁铁的侧面有足够的压力。但该压力也不可过大，否则转动的线圈与磁铁侧面间的摩擦过大，会影响通电线圈的转动。将线圈套上后可以反复进行调试，以保证线圈能保持最佳转动状态。

2.2.3 线圈不能选用磁性材料制作

线圈不能用铁丝、钢丝等磁性材料制作，因为这类材料被强磁铁磁化之后，线圈的两端会被磁铁吸引，紧紧的压在磁铁上，无法转动。宜选择铜质或铝质线圈，如果是绝缘线圈，还应注意把线圈与电池及线圈与磁铁接触部分的绝缘漆刮掉，以免接触不良，影响线圈的转动。

2.3 简易电动机模型的优越性

实际上，人教版初中物理教科书也有相关电动机模型的制作介绍，与教科书中介绍的简易电动机模型相比，本文介绍的电动机模型更具优越性，不仅制作方便、操作简单，而且实验成功率高。

(1)教科书中给出的简易电动机模型需要用两个金属支架作为供电的导线，金属支架还需要用一个底座来固定，制作比较麻烦，且构造相对“复杂”。而本文介绍的简易电动机模型，无需其他导线连接，磁铁既是磁场的提供者，同时也作为连接电路的“导线”，构造简单，制作方便。

(2)教科书中给出的简易电动机模型在“工作”时，为了能够连续转动，在没有换向器的情况下，将充当线圈转轴的半周绝缘漆刮去，设计成在线圈转动的一圈内，只有半周供电，另外半周依靠线圈的惯性转动。因为只有半周供电，如果线圈电流不是很大，或者磁铁磁性不是很强，线圈很难保持持续转动，制作的模型往往以失败告终。而本文介绍的简易电动机模型，在线圈转动的整个过程中，电源持续供电，转动平稳，相对于课本中介绍的模型，制作成功率较高。

(3)教科书中给出的简易电动机模型，在绕制线圈时，如果线圈的重心偏离转轴过远(因为线圈很小，只有火柴盒的截面那么大，所以绕制的结果很难保证线圈重心刚好在转轴上，通常都有所偏离)，线圈所受的磁场力矩可能不足以克服重力力矩而无法持续的转动。而本文介绍的简易电动机模型，即便线圈的左右两边不对称，线圈重力的力矩都不影响线圈的转动(因为重力方向竖直向下，而线圈所受的磁场力方向是水平的)。

3 电池穿越弹簧隧道实验

该实验装置是将两个圆柱形磁铁分别固定在电池的正负极，将该电池-磁铁组成的系统插入弹簧线圈，当两端的磁铁与线圈接触之后，系统会在弹簧线圈内向前运动。实际上，只在电池的一端(比如负极)固定磁铁并组成一个系统，当系统插入弹簧线圈之后，设法使电池的另一极与线圈相接触(比如在电池的正极固定一个比电池外径稍大的圆柱体金属块)，系统依然可以在弹簧线圈内向前运动。下面先以后者为例进行受力分析。

3.1 实验现象原因分析

将圆柱形薄磁铁的S极与一节干电池的负极接触，圆柱体小铁块与电池正极固定，三者组成一个系统(磁铁和铁块截面直径比电池略大，以保证它们与线圈良好接触)，将该系统插入弹簧线圈的一端，如图4所示。A、B两点分别是铁块和磁铁与线圈的接触点(图4中未将铁块画出)，则线圈上铁块和磁铁之间的部分有电流通过，成为一段通电螺线管，由安培定则可以判断，这段螺线管(图4中AB之间的部分)左端为N极，右端为S极。根据磁极间力的作用规律可知，通电螺线管与磁铁相互吸引，磁铁因受螺线管的吸引而推着前面的电池和铁块克服摩擦力在弹簧线圈内向右运动。而随着磁铁—电池系统的右移，通电螺线管也不断的右移(螺线管始终在磁铁的前面，与磁铁保持固定的距离并与磁铁相吸引)。所以，磁铁—电池系统会不停的在弹簧线圈内向右运动，直到离开弹簧为止。

图4 电池一端固定磁铁系统示意图

当然，对初中学生来说，用磁极间的作用规律来解释电池穿越弹簧隧道现象的原因，学生容易接受，对高中学生而言，也可以利用磁场对通电导体力的作用规律来进行分析。图4中，取线圈中的某一段来进行受力分析。比如线圈的CD段所在处的磁场方向垂直纸面向里，该段导体中的电流方向向上，由左手定则可以判断，CD段所受磁场力的方向水平相左。同样的道理，在通电线圈中取其他任意一段，所受磁场力的方向也都是水平向左。因此，整个通电线圈都受到磁铁对其水平向左的吸引力，由于物体间力的作用是相互的，通电线圈对磁铁存在向右的吸引力(该结论跟判断通电螺线管的磁极后，根据磁极间的作用规律进行判断，结果是一致的)，所以磁铁-电池系统会在线圈内向右运动。

再分析电池两端分别固定两个磁铁的情形(即图2实验中的情形)。如图5所示，将两个大小相同的圆柱形磁铁的同名磁极(比如两个S极)分别与一节干电池的正负极连接并固定，三者组成一个系统，将该系统置于弹簧线圈内。当两磁铁都与线圈接触时，两磁铁之间的线圈成为一段通电螺线管，根据安培定则可以判断，该通电螺线管的左端为N极，右端为S极，所以左边与电池负极相连的磁铁受到螺线管的吸引，右边与电池正极相连的磁铁受到螺线管的排斥。因此，整个系统受到螺线管向右的作用力，故系统在弹簧线圈内向右运动。如果同时更换两磁铁的磁极，将两磁铁的N极分别与电池的正负极相连，那么整个系统受到磁场力的方向将变得相反，系统会在弹簧线圈内向左运动。当两个同样的磁铁(即形状相同，磁性也相同)的异名磁极分别与电池两极相连并固定，三者组成一个系统，该系统置于弹簧线圈内时，尽管两磁铁之间的线圈也会成为通电螺线管，但是，电池两端的两个磁铁所受螺线管的作用力大小相等，方向相反，作为整体，系统所受到的这两个磁场力是一对平衡力，系统不会在磁场内向任何方向运动。

图5 电池两端固定铁的系统示意图

3.2 弹簧穿越隧道模型的制作要领

跟简易电动机模型转动过程所受的摩擦力不同，电池穿越弹簧隧道模型所受的摩擦阻力主要来自于电池-磁铁系统与弹簧线圈间的滑动摩擦力，相对于简易电动机模型，摩擦阻力较大，如果通电螺线管提供的磁场力(动力)不大于电池-磁铁系统所受线圈的滑动摩擦力，那么电池—磁铁系统是无法在弹簧线圈内前进的。所以，为使该实验装置制作成功，应该从增大磁场力和减小摩擦阻力两个方面综合考虑。

3.2.1 电池-磁铁系统应尽可能轻

电池-磁铁系统在弹簧线圈内向前运动时，所受的摩擦阻力与系统的重力大小成正比，电池-磁铁系统越轻，所受的摩擦阻力就越小。因此，在选择制作器材时，从减小系统重力的角度考虑，宜选择截面半径最小的7号电池和截面略大于电池的轻薄磁铁。

3.2.2 磁铁的侧面和弹簧线圈内部应尽可能光滑

电池—磁铁系统在线圈内运动时，所受摩擦力的大小不仅跟系统重力有关，还跟系统与线圈接触面的粗糙程度有关，重力一定时(此时压力一定)，接触面越光滑，滑动摩擦力就越小。所以，将磁铁的侧面和弹簧线圈内部磨得光滑一些，可以减小滑动摩擦力。

3.2.3 应选择新电池

制作该模型，应使用新电池。因为电池用久之后内阻增大，在电池电动势一定时，通过线圈的电流必然会减小，通电螺线管的磁性减弱，通电螺线管与磁铁间的相互作用力就会减小。若动力不足，电池-磁铁系统可能不足以克服摩擦力而无法向前运动。

3.2.4 线圈应尽可能密集

为了使螺线管具有更强的磁性，使电池-磁铁系统获得足够的动力，线圈应尽可能密集。因为电池的长度是一定的，稀疏的线圈通电匝数较少，即使电流较大，磁性也不会很强。另外，线圈应该用电阻率小的非磁性材料制作，因为磁性材料(如铁质弹簧)会被强磁铁吸引，磁铁与线圈间的摩擦力显著增大，系统获得的磁场力(动力)很可能不足以克服摩擦阻力而无法运动。采用密集的铜质线圈较好，实验的成功率较大。

课堂教学中，如果能够适时插入一个好的演示实验，会极大地调动学生学习的积极性，对新课教学能够起到事半功倍的效果。而“好”的演示实验通常具有以下特点：①结构简单，制作方便;②能够引起学生的兴趣;③可以用学习的“新”知识解释实验现象形成的原因。对比以上3点不难看出，电与磁这一板块，无论是在初中物理教学、还是高中物理教学过程之中，如果能够将上述“简易电动机模型实验”和“电池穿越弹簧隧道实验”以课堂演示的方式不失时机的“引入”课堂，无疑会让课堂教学妙笔生花。