线圈扭转演示器

湖北省应城市实验初级中学(432400) 汪水望

1 研制背景

人教版9年级物理中的演示实验“通电线圈在磁场中受力扭转”,由于没有配套的实验器材致使该实验无法进行。类似教具有电动机原理说明器,其结构复杂,转子不能取出,用5节干电池都不能使线圈转动,必须使用大电流的学生电源才能驱动,使用起来不方便,内置换向器型号太小,实验中学生看不清楚。手摇发电机,摩擦力大,皮带老化无力,不易带动转子,封闭式结构不便于学生观察,不能显示电流方向。

为了解决上述问题,笔者进行了以下改进：①采取增大磁极间的距离,绕制大线圈穿轴固定,解决了“通电线圈在磁场中受力扭转”实验因没有配套的实验器材致使该实验无法进行的问题;②采取增加线圈的匝数,绕制大线圈增加了线圈的长度和宽度,从而增大磁场力,增大转动力矩;在空心轴上安装轴承减小摩擦力;只需1 节干电池即可驱动,解决了电动机原理说明器用5节干电池都不能使线圈转动的问题;③采取外置大型可灵活拆装的换向器和铜环,敞开式定子结构,活动插板,解决内置小型换向器,封闭式结构不便于学生观察,转子不能取出,不能显示电流方向的问题。

2 制作方法

如图1所示,把铜板弯成半圆形两端内钩,制作成1对换向器。如图2所示,制作铜环1对。换向器和铜环的大小与换向器座相匹配并且可灵活拆装于换向器座上。

如图3所示,制作换向器座。在尼龙圆柱体的一端切削出稍小的圆柱体,供套装换向器或铜环之用;沿轴线钻穿中心孔,供穿空心轴之用;在竖直方向直径两侧铣出4条凹槽,以固定换向器;在水平方向中心孔两侧各钻1个小孔,安装金属插孔(如空心金属铆钉),以固定漆包线两端;在圆柱体侧面错位钻孔,与小孔相通,镶嵌弹性导电体(如铜片或金属碰珠),使弹性导电体底端跟金属插孔相连,顶端跟换向器及铜环的内壁都能接触,弹性导电体作用是通过金属插孔把漆包线的两端跟换向器或铜环连接起来,制成了换向器座。

图1 换向器

图2 铜环

图3 换向器座

如图4所示,用漆包线绕制线圈,空心轴钻穿线孔后穿过线圈,漆包线两端从穿线孔穿入空心轴内,从中引出漆包线由换向器座的金属插孔固定,将轴承、换向器座、换向器,组装成转子。

如图5所示,用亚克力板制作活动插板,活动插板上有两个发光二极管,发光二极管的正负极反向并联,跟包裹固定在活动插板上的铜片相连接,发光二极管偏离中线错位安装,使离边缘远的一端统一接二极管的正极或者负极,便于识别发光二极管的正负极接在那一端,活动插板的作用是在演示直流发电机和交流发电机时,替换电池,显示电流方向。

将钢板切割成“┿”形,前后侧上弯至竖直位置,其顶端固定有近似U 形的开口,可以灵活取放转子,制成了转子支架,将磁靴底部吸在磁铁上,磁铁吸在转子支架左右两侧,转子支架固定在底板上,形成敞开式定子结构。将电池夹片、开关固定在底板上,并与电刷相连组装成演示器,其实物图如图6所示。

图4 转子

图5 活动插板

图6 实物图

3 使用方法及效果

(1)演示通电线圈在磁场中扭转。取下换向器,把插头插入换向器座上的金属插孔中,闭合开关,通电线圈在磁场中扭转。(2)演示通电线圈在磁场中旋转。装上换向器,把插头插入电刷上的电刷插孔中,闭合开关,通电线圈在磁场中旋转起来。(3)演示直流发电机。用活动插板替换电源,旋转转子,其中一个二极管发光;反向旋转,另一个二极管发光。 (4)演示交流发电机。用铜环替换换向器,旋转转子,二极管交替发光。

4 演示器的优缺点

(1)敞开式定子结构,便于观察和取出转子。(2)外置大型可灵活拆装换向器和铜环,直观地向学生展示有着细微结构的直流电动机换向器、交流发电机铜环等的由来、构造及工作原理,明显地增大了教学的可见度、直观性和趣味性,再现了线圈从扭转到旋转这一科学发明过程,突破了换向器改变线圈中电流方向,使线圈从扭转到旋转这个教学难点。(3)采用带发光二极管的活动插板显示电流方向。 (4)制作难度大,成本高,只有工厂大批量生产才能降低制作成本。