法拉第圓盤發(fā)電機(jī)的制作

吳泉玉

高二課本廣東版選修3-2的第一章第五節(jié)是電磁感應(yīng)規(guī)律的應(yīng)用，電磁感應(yīng)規(guī)律的應(yīng)用的最重要應(yīng)用是制造發(fā)電機(jī)，法拉第圓盤發(fā)電機(jī)是人類歷史上的第一臺(tái)發(fā)電機(jī)，它把人類帶入電氣時(shí)代，是發(fā)電機(jī)的鼻祖.目前，即使功率為100萬千瓦的特大發(fā)電機(jī)，也是根據(jù)法拉第圓盤發(fā)電機(jī)的基本原理──電磁感應(yīng)制成的.這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功給學(xué)生學(xué)習(xí)電磁學(xué)帶來振憾，對教師的教學(xué)和學(xué)生理解和掌握電磁感應(yīng)規(guī)律的應(yīng)用原理很有幫助.

原理法拉第圓盤發(fā)電機(jī)如圖1（課本P19 圖1-5-2），圓盤分成無數(shù)根長度等于半徑的銅輻條，在轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤時(shí)，經(jīng)過U形磁鐵的磁場的輻條就會(huì)做切割磁力線運(yùn)動(dòng)，發(fā)生電磁感應(yīng)，產(chǎn)生電動(dòng)勢，輻條與電流表連接成閉合電路，電路中就有電流，實(shí)現(xiàn)利用電磁感應(yīng)發(fā)電.

改進(jìn)的思路剛開始我簡單地按課本的彩圖和法拉第圓盤發(fā)電機(jī)的介紹，取直徑21 cm銅盤，用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄帶動(dòng)圓盤在教學(xué)U085大磁鐵的磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)，試用各種量程的電流表，最后只是在用靈敏電流計(jì)時(shí)指針微偏轉(zhuǎn)，演示實(shí)驗(yàn)結(jié)果是學(xué)生很難觀察到實(shí)驗(yàn)效果，很明顯原因是產(chǎn)生的電流太小.根據(jù)E=112BL2ω、I=E1R.L增大就是增大圓盤在磁場中的有效輻條長度，較難實(shí)現(xiàn)，意義不大；那么就依靠通過增大B、ω的方法來實(shí)現(xiàn)電流的增大.

制作材料黃銅板、有機(jī)玻璃板、木板、試管膠塞、導(dǎo)線、各種規(guī)格的螺絲若干、角鋁、銅管、轉(zhuǎn)動(dòng)皮帶輪軸.

制作過程

（1）轉(zhuǎn)盤（圖2）：取材用厚0.6 mm銅板，裁剪出直徑21 cm的銅圓盤；另用厚3 mm的有機(jī)玻璃板，裁剪出直徑18.5 cm的圓盤.用萬能膠將有機(jī)玻璃圓盤粘合在銅盤的中心對齊，留出邊緣的1.5 cm的銅圓環(huán)，中心鉆一個(gè)0.5 cm孔讓0.5 cm的螺絲穿過，用螺母把轉(zhuǎn)盤與螺絲固定好.

（2）電刷（圖3）：用粗導(dǎo)線的銅絲做電刷，先做兩個(gè)能固定導(dǎo)線位置并能調(diào)節(jié)伸出長度的固定套管，4×2 cm的銅板，中間用大功率的電鉻鐵焊接上一個(gè)4 cm長的銅管，銅管上鉆兩個(gè)孔，并鉸上螺紋讓螺絲能旋進(jìn)，導(dǎo)線從銅管穿進(jìn)，穿出導(dǎo)線的一端剝出3 cm長的銅絲團(tuán)成個(gè)銅絲餅，調(diào)好伸出長度后，可用這兩個(gè)螺絲固定.兩個(gè)固定套管各用4個(gè)螺絲釘固定在一個(gè)21×4 cm長木板上，相距10.5 cm，做成兩個(gè)電刷.

（3）磁場：鋸出一塊9×6×1.3 cm的木板，中間鉆出直徑4 cm的圓孔，套入直徑4 cm高6.7 cm的塑料管，把U形磁鐵的底部扣在管上，保證它的穩(wěn)定.

（4）教具的整體組裝：如圖4、圖5，底板40×24 cm的木板，用試管膠塞做四個(gè)腳；先裝皮帶輪軸，將轉(zhuǎn)盤裝到轉(zhuǎn)軸上；電刷的木板用角鋁固定在底板，調(diào)節(jié)導(dǎo)線的銅絲餅一個(gè)在銅盤的邊緣夾緊上、下面和邊緣，另一個(gè)電刷頂在轉(zhuǎn)軸的中心； U形磁鐵的底部扣在管上，管的高度取于把銅盤盡可多地套入U(xiǎn)形磁鐵的U形磁場內(nèi)，整個(gè)教具的組裝完畢.

教具的使用情況如圖6，把教具的兩根導(dǎo)線的另一端與微安表的正、負(fù)接線柱相接就可演示法拉第圓盤發(fā)電機(jī)發(fā)電原理，實(shí)驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)皮帶輪使銅盤飛快轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過U形磁鐵的銅盤輻條做切割磁力線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感生電動(dòng)勢，經(jīng)過閉合電路的電流使靈敏電流計(jì)的指針達(dá)到接近滿偏.U形磁鐵的磁場方向和轉(zhuǎn)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速和方向可改變，對實(shí)驗(yàn)探究電磁感應(yīng)的大小和方向與什么因素有關(guān)帶來方便和可能.

從實(shí)驗(yàn)效果可見，本教具可見度大、操作簡單、結(jié)構(gòu)簡單并清晰，實(shí)驗(yàn)效果形象、直觀、科學(xué)、明顯，吸引學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的興趣.

教具的創(chuàng)新點(diǎn)或改進(jìn)點(diǎn)

（1）磁場：用U-80型對磁極式蹄形強(qiáng)磁鐵代替教學(xué)U085大磁鐵，磁場的磁通量是0.8 T左右.磁鐵的固定靠U形磁鐵的底部扣在管上，需改變方向時(shí)，只要拿出轉(zhuǎn)個(gè)方向就可以，這樣給磁場的方向與電磁感應(yīng)的方向的探究帶來方便.

（2）圓盤轉(zhuǎn)速快：不用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄直接帶動(dòng)圓盤，用一個(gè)大輪通過皮帶帶動(dòng)圓盤中心輪軸上的小輪轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速大大提高.

（3）銅盤：銅盤的銅片厚0.6 mm、直徑21 cm，自身彈力較大，受力變形后，很難使它恢復(fù)回在同一個(gè)水平面，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電刷與它接觸就不能穩(wěn)定，產(chǎn)生的電流時(shí)有時(shí)沒.解決的方法是用一個(gè)厚3 mm、直徑18.5 cm的有機(jī)玻璃板粘在銅盤的中心，使銅盤保持在同一水平面，以留有邊緣的1.3 cm的銅環(huán)與電刷接觸.使電刷與銅盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦接觸穩(wěn)定.

（4）電刷：用粗導(dǎo)線的銅絲做電刷，取3 cm長的銅絲團(tuán)成個(gè)銅絲餅，一個(gè)電刷在銅盤的邊緣夾緊上、下面和邊緣，另一個(gè)電刷頂在轉(zhuǎn)軸的中心，這樣的電刷比銅片電刷與銅盤的摩擦接觸面大、穩(wěn)定，產(chǎn)生電流大、持續(xù).