法拉第電磁轉(zhuǎn)動實驗裝置的改進

施國富

（信豐中學，江西信豐341600）

1 引 言

法拉第是杰出的物理學家和化學家.他在擔任戴維的實驗助手期間，設計了著名的“電磁轉(zhuǎn)動實驗”，而文獻[1]中只向教師們展示了1幅原理圖，真實的實驗裝置尚不可知，即便能復制真實的法拉第電磁轉(zhuǎn)動實驗裝置，考慮到水銀的易揮發(fā)性和毒性，也不能把它搬進課堂.為此對該實驗裝置進行了改進，設計了轉(zhuǎn)動輕便、通電可靠的轉(zhuǎn)子，用銅板制作的銅圓盤代替水銀，用3節(jié)干電池作電源，實現(xiàn)了“電磁轉(zhuǎn)動實驗”——即單根通電導線在磁場中轉(zhuǎn)動.

2 電磁轉(zhuǎn)動裝置的制作

改進的法拉第電磁轉(zhuǎn)動實驗裝置見圖1.所用材料為：廢舊的實驗室暗敷塑料槽板1塊（長18cm，用于制作底座），PVC塑料管1根（長13cm，直徑25mm），單層敷銅板1塊；正方形釹鐵硼強磁鐵1塊（5cm×5cm×1cm，中間有一直徑1cm的小孔），粗銅導線1根（長15cm左右，直徑2mm）；漆包線兩段（長25cm，直徑0.3mm），大號電池盒3只1.5V，電解電容器2只（25V，3 300μF），導線、薄鐵片若干.

具體的制作方法如下：

圖1 改進的電磁轉(zhuǎn)動裝置

1）支撐與連接座的制作.在塑料槽板的中心位置用打孔器鉆1個直徑25mm的圓孔，距中心約4cm的兩側(cè)各鉆直徑4mm的螺絲孔并裝上接線柱.將加工好的PVC水管穿過中心圓孔，豎直放置并用膠水粘牢.剪下1塊6cm×6cm的正方形敷銅板，中心鉆1個直徑22mm的圓孔，把1根漆包線一端與銅板焊好，銅板的背面粘貼2片小鐵片，正面粘貼1個內(nèi)空為5cm×5cm的塑料框，框的邊寬約5mm.把加工好的銅板用膠水粘接在PVC管的上端，使其水平，漆包線從管中穿過在管底引出，接在底座的接線柱上.

2）中心導電桿的制作.取10cm長的粗銅導線，一端打磨成尖尖的圓頭，另一端與1根漆包線焊接，取1個4號膠塞，中心鉆孔，銅導線穿過膠塞，圓頭伸出約5cm長.

3）銅圓盤的制作.在敷銅板上裁取1個直徑12cm的圓盤，用砂輪把盤邊緣打磨好，中心鉆1個直徑4mm的孔，距中心2cm處再鉆1個焊接孔.盤的正面粘接內(nèi)徑1cm外徑3cm的鐵片環(huán)，用銅絲制作1個直徑3cm的環(huán)，留出線頭，把銅環(huán)粘接在銅盤的背面，線頭穿過焊接孔并焊牢.

4）轉(zhuǎn)子的制作.剪一段長5cm的空水筆芯，距一端2cm處鉆1個孔，把長12cm的粗銅導線穿過孔，使筆芯位于導線的中心并與導線垂直，之后把兩導線彎折成與筆芯平行，距孔2cm處再把導線折90°，制成能以筆芯為軸轉(zhuǎn)動的直導線.用漆包線繞制一螺旋環(huán)，螺旋環(huán)的上端焊接在銅導線一側(cè)、距中心4cm處，下端刮掉漆.

5）充放電導線的制作.把2只電容器并接焊好，同時正極焊出2根帶鱷魚夾的紅導線，負極焊出2根帶鱷魚夾的黃導線，一紅一黃為1組，一組接電源，另一組接在裝置底座的接線柱上.電容器用一段塑料注射器筒封裝.

6）組裝.把中心導電桿從支撐與連接座的塑料管中插入，壓緊，漆包線從管底引出，接在底座的接線柱上.在底座銅板面上，依次放上釹鐵硼磁鐵、銅圓盤，中心導電桿均位于它們的正中心.最后把轉(zhuǎn)子的筆芯套在中心導電桿上.這樣，底座上的一個接線柱通過中心導電桿連接到轉(zhuǎn)子，另一個接線柱通過底座銅板、磁鐵、銅環(huán)連接到銅圓盤上，當螺旋環(huán)的下端與銅圓盤面接觸時，電流接通.組裝連接好的實物見圖2.

圖2 電磁轉(zhuǎn)動裝置全圖

3 演示方法

3.1 演示法拉第的電磁轉(zhuǎn)動實驗

用充放電導線的一組接上裝有3節(jié)干電池的電源，紅導線接電源正極，黃導線接負極.另一組的2根導線接到裝置底座上，2根導線可分別接任意接線柱.此時可觀察到轉(zhuǎn)子在圓銅盤上轉(zhuǎn)動.為讓學生看得更清楚，演示時教師手持底座，將整個裝置傾斜，銅盤朝向?qū)W生，傾斜角度可達45°，轉(zhuǎn)子仍能持續(xù)轉(zhuǎn)動.

3.2 演示或驗證左手定則

1）磁鐵N極朝上，讓電流從中心導電桿流出，依據(jù)左手定則，判斷轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向為順時針方向.接通電源，觀察實際的轉(zhuǎn)動方向.

2）保持磁鐵N極朝上，讓電流從圓銅盤流向中心導電桿，依據(jù)左手定則，判斷轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向為逆時針方向.接通電源，觀察實際的轉(zhuǎn)動方向.

3）保持電流從中心導電桿流出不變，磁鐵S極朝上，依據(jù)左手定則，判斷轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向為逆時針方向.接通電源，觀察實際的轉(zhuǎn)動方向.

1）與2）對比說明安培力的方向與導線中電流的方向有關(guān)，磁場方向相同時，電流方向相反，受力方向相反；1）與3）對比說明安培力的方向與磁場的方向有關(guān)，電流方向相同時，磁場方向相反，受力方向相反.

4 改進后的電磁轉(zhuǎn)動實驗裝置的優(yōu)點

1）避免了使用水銀，安全環(huán)保.

2）轉(zhuǎn)子的設計使轉(zhuǎn)子與中心導電桿可靠接觸，轉(zhuǎn)動靈活，普通干電池便可使其轉(zhuǎn)動.

3）充放電連接導線的制作，結(jié)合轉(zhuǎn)子上螺旋環(huán)在通電時收縮、斷電時復原形成時斷時通的特點，實現(xiàn)交替充電、放電，可以獲得比直接連接電池時更大的瞬時電流.

4）該裝置設計合理、外形美觀，便于攜帶，演示操作簡單，可以方便地改變電流方向、磁場方向，用于演示或驗證左手定則.

[1] 人民教育出版社物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書·物理（選修3－2）（教師教學用書）[M].北京：人民教育出版社，2010：47.

[2] 吳迪男，吳祥志.法拉第電磁感應定律數(shù)字化實驗儀[J].物理實驗，2009，29（10）：20－22.

[3] 張偉，蔡穎標.基于PASCO平臺的法拉第磁光效應實驗[J].物理實驗，2011，31（7）：33－36.

[4] 徐忠岳.多功能向心力測量轉(zhuǎn)臺[J].物理實驗，2011，31（7）：29－32，44.