对金属管式楞次定律演示器的两种改进方案

摘 要：对传统金属管式楞次定律演示器提出两种改进方案，自制两套实验器材，可以方便地演示涡流、电磁阻尼、电磁驱动等多种电磁感应现象，实验效果直观明显，实验功能更加齐全.

关键词：自制教具;涡流;楞次定律;电磁阻尼;电磁驱动

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）03-0050-02

作者简介：徐婷婷（1991-），女，浙江台州人，本科，中学二级教师，研究方向：高中物理学科教学.

传统的金属管式楞次定律演示器由圆柱体磁铁和铝管组成.在实验过程中，让磁铁从铝管的内部竖直下落，可以发现磁铁下落缓慢，从而说明楞次定律中的“阻碍”作用.但是在演示实验的过程中，学生无法观察到磁铁在铝管内的运动情况，降低了实验的可信度.

笔者对传统实验进行改造和创新，提出两种改进方案：方案一，将磁环套在金属管外下滑，并选用不同种类和规格的材料进行对比实验，能够说明涡流大小的影响因素[1];方案二，在塑料管内装入磁铁，将金属环套在管子的外部，可以非常方便地演示电磁阻尼、电磁驱动等多种电磁感应实验.

1 改进方案一

传统实验中磁铁块在铝管的内部下落，不易观察磁铁块的运动情况.本实验将磁环套在实验管子的外部，将磁环从管口相同高度同时释放，可以直观地看到磁环的下落情况.

1.1 对比铜管和塑料管

选用管壁厚度相同的铜管和塑料管进行对比实验，可以观察到磁环在塑料管外运动很快，在铜管外运动较慢，如图1所示.另外，也可以让学生亲身体验这个实验，用手拉动磁环在铜管外上下移动，可以明显地感受到这种“阻碍”作用.实验现象可以证明，在金属导体中能够形成涡电流，从而对磁环产生阻碍作用，而在绝缘体中不会存在这种现象.

1.2 铜管和塑料管连接

如图2所示，将铜管和塑料管连接在一起，形成一根上下材质不同的长管.在实验的过程中，让塑料管在上铜管在下，可以观察到磁环在塑料管上下落速度较快，在进入铜管外部后忽然“刹车”速度减慢.也可以将管子倒过来，让铜管在上塑料管在下，实验现象同样非常明显.另外，也可以在拼接的长管外面包上一层白纸，教师进行演示实验时，学生并不知道内部材质的变化.此时让磁环沿着管子下落，速度的突变可以很好地激发学生的好奇心和学习兴趣.

1.3 对比铜管、铝管、不锈钢管

选用管壁厚度相同的铜管、铝管、不锈钢管进行对比实验.先对比铜管和铝管，可以观察到磁环在铝管外运动较快，在铜管外运动较慢，如图3（a）所示.再对比铝管和不锈钢管，可以观察到磁环在不锈钢管外运动较快，在铝管外运动较慢，如图3（b）所示.

通过两组对比实验，可以总结出磁环的运动速度：铜管最慢、铝管次之、不锈钢管最快.以上实验现象可以说明磁环下落过程中形成涡流的大小与金属材料的电阻率有关，已知铁的电阻率（不锈钢可以参考铁）9.78×10-8 Ω/m、铝2.83×10-8 Ω/m、铜1.75×10-8 Ω/m[2].由于电阻率不同，三根金属管的电阻大小不同，产生涡流的大小不同，涡流产生的磁场大小也不同，因此涡流磁场对磁环的作用力大小也会不同.这样可以解释为什么变压器的铁芯材料常用的是硅钢.从电阻率的角度来说，因为硅钢的电阻率较大，形成的涡流损失小.

1.4 对比不同厚度的铜管

选用管壁厚度不同的铜管进行对比实验，可以观察到磁环在薄铜管外运动较快，在厚铜管外运动较慢，如图4所示.该实验现象可以说明涡流的大小与金属材料的厚度有关.

2 改进方案二

在上述的方案一中，我们将磁铁环套在金属管的外部进行实验，因此笔者进行对称性的思考：将金属环套在磁铁的外面进行实验会不会有类似的效果呢？于是设计了改进方案二：如图5所示，在透明塑料管内装入圆柱形磁铁，相邻的两块磁铁同名磁极相对，因为斥力的存在，磁铁间会保持一定的间距.将铝环套在管子的外部，让铝环沿着塑料管下滑，观察铝环的运动情况.

2.1 对比闭合铝环和开口铝环

如图6所示，准备两个厚度相同的铝环，一个是闭合铝环，另一个是开口铝环.让两个铝环分别在装有磁铁的塑料管外部下滑.对比两个铝环的运动情况，可以观察到闭合铝环下落较慢，而开口铝环下落明显更快.这就说明了在闭合导体中涡流现象更加明显.那么在开口铝环中是不是没有涡流呢？取一段未装磁铁的塑料管进行对比实验，可以发现当开口铝环在磁铁外部运动时涡流较小但是依然存在.

2.2 铝环对磁铁的“电磁驱动”

仔细观察上述实验过程，还会发现一个有趣的现象.在铝环穿过磁铁的过程中，观察磁铁的运动情况，发现磁铁会随着铝环一起运动，即铝环下滑时，磁铁会向下运动;用手拉动铝环向上运动时，磁铁也会跟着向上运动.若將装有磁铁的塑料管水平放置，这种带动现象会更加明显，可以用来演示“电磁驱动”现象.

2.3 磁铁对铝环的“来拒去留”

如图7所示，对比两种不同的磁铁排布方式，图7（a）是磁铁间隔排布，图7（b）是将这些磁铁吸合成一整块大的磁铁.哪种情况下磁铁对铝环的阻碍效果会更明显呢？通过对比实验可以发现还是间隔排列的磁铁可以起到更明显、更持续的阻碍作用.因为其实这种阻碍只会发生在磁通量发生变化的时候，即铝环靠近和远离磁铁的时候.为了证明这一点可以将塑料管倾斜放置[3]，减慢铝环的下滑速度，如图8所示.仔细观察铝环的运动过程，可以发现当铝环到达图8中所示的A点和B点附近，会有两次比较明显的卡顿现象，可以用来演示楞次定律中的“来拒去留”.

2.4 磁铁对铝环的“电磁驱动”

在电磁驱动实验中，我们通过铝环的运动来带动磁铁运动.那么能不能通过磁铁的运动来带动铝环运动呢？如图9所示，笔者将磁铁与一根硬质塑料吸管组合在一起，通过拉动塑料吸管让磁铁左右运动.如图10所示，可以看到套在塑料管外的铝环也跟着左右运动，这个实验也可以用来演示“电磁驱动”.

参考文献：

[1]徐婷婷.一款涡流电磁阻尼演示仪的自制与创新[J].中学物理，2019，37（21）：48-49.

[2]张强，黄凯特.超导楞次定律实验装置[J].物理实验，2014 （10）：12-14.

[3]刘小洪，文雯.谈电磁感应中“来拒去留”的实验教学方法[J].物理教学，2020 （01）：24-26.

（收稿日期：2020-10-23）