《電磁感應(yīng)》演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
——手搖手電筒的制作

吳瓊煙（福建莆田秀嶼區(qū)莆田第十中學(xué)，福建莆田　351146）

《電磁感應(yīng)》演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
——手搖手電筒的制作

吳瓊煙
（福建莆田秀嶼區(qū)莆田第十中學(xué)，福建莆田351146）

傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不易仿制。本文介紹一款適合自己動(dòng)手制作的手遙手電筒電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)，課堂教學(xué)演示效果良好，學(xué)生易于自制，激發(fā)興趣。

電磁感應(yīng)手搖手電簡(jiǎn)磁鐵線圈

曾經(jīng)有人建議我們使用“手搖手電簡(jiǎn)”作為“電磁感應(yīng)”這節(jié)課的教師演示實(shí)驗(yàn)。我們反復(fù)論證，認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)是行之有效的。本文考慮使用一些直觀的、切合實(shí)際生活中應(yīng)用的、易于制作的實(shí)驗(yàn)方案。

“手搖手電簡(jiǎn)”是什么呢？讓我們先看看網(wǎng)絡(luò)上這樣的一段產(chǎn)品廣告吧：“產(chǎn)品環(huán)保設(shè)計(jì)，永遠(yuǎn)不需電池，不需更換燈泡，用LED作為發(fā)光器件，具有長(zhǎng)壽命、高亮度的優(yōu)點(diǎn)。整體完全密封，不但防水，而且還可漂浮在水面。利用法拉第原理中的電磁力學(xué)說，將機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能，不但節(jié)約能源，而且也沒有更換電池及電池廢棄了……”我想，您大概部分的理解了它的原理，那么更具體的設(shè)計(jì)原理及實(shí)驗(yàn)方案又是怎樣的呢？在本文中，將闡述“手搖手電簡(jiǎn)”演示實(shí)驗(yàn)的制作過程、教學(xué)實(shí)踐過程（詳見參考資料中），作為一個(gè)案例展示給讀者。

一、電原理圖：

本電路的基本原理與法拉第的電磁學(xué)說有關(guān)，關(guān)于這個(gè)學(xué)說的論述并不是本文所要討論的。但值得我們注意的是，圖中磁鐵在線圈中運(yùn)動(dòng)，將造成線圈環(huán)路磁通變化，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流。電路中還應(yīng)用了一些現(xiàn)代電子器件，把感應(yīng)電流轉(zhuǎn)為光。其中電容C為貯能元件，R為限流電阻，D1起到整流作用，D2為發(fā)光二極管。

當(dāng)磁鐵插入線圈，線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與線圈的纏繞方向、磁鐵的運(yùn)動(dòng)方向、磁鐵的南北極朝向等因素有關(guān)。當(dāng)磁鐵在線圈中上下運(yùn)動(dòng)，線圈的磁通量發(fā)生變化，在線圈中將產(chǎn)生交變電動(dòng)勢(shì)，也就是說，我們從線圈兩端得到的電壓是交流電壓。例如，我們可能得到這樣的結(jié)果：磁鐵插入時(shí)，線圈AB兩端電壓差為正，取出時(shí)，AB兩端電壓差為負(fù)。

二、電路設(shè)計(jì)

圖中的電容C是貯能元件。比較理想的一種方案是，選擇一個(gè)法拉電容。什么是法拉電容呢？是指容量很大的電容，標(biāo)稱容量可以達(dá)到幾個(gè)法拉甚至更多。雖然法拉電容成本不高，但由于民用領(lǐng)域不常用，所以我們不易取得這種電容，我們必須考慮使用其它元件代換它。通常，幾千微法的電容是很常用的，我們可以選用一個(gè)或數(shù)個(gè)千微法電容并聯(lián)，取代法拉電容。

當(dāng)我們選用節(jié)能型負(fù)截時(shí)，比如，選用高效節(jié)能的LED發(fā)光二極管，只需0.5毫安以下的電流，即可驅(qū)動(dòng)它，使它發(fā)出較強(qiáng)的光，以至于全班同學(xué)能夠清晰的看到它所發(fā)出的光線。當(dāng)電容充電后，閉合K，電容開始對(duì)D2放電，D2開始發(fā)光，我們做個(gè)假設(shè)，放電時(shí)電流恒定不變，那么，當(dāng)C的電壓下降了1伏特，需要多少時(shí)間呢？設(shè)電容的容量為C=2200uF，放電電流I=1mA，那么所需的放電時(shí)間t：

計(jì)算表明，C兩端電壓每下降1v，耗時(shí)2.2秒左右。在這么長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，基本可感覺到電容的“貯能效果”，如果必要，可使用多個(gè)電容并聯(lián)，則效果非常明顯。

C應(yīng)選用漏電電流小的，如果漏電電流很大，那么在充電過程中，C上的電荷就已經(jīng)漏光光，那就別想驅(qū)動(dòng)LED了。如何判別C的漏電的大小呢？這里介紹一種方法：使用機(jī)械式萬用表，拔到1歐檔，用萬用表的兩個(gè)表筆（務(wù)必注意，黑表筆為正，它應(yīng)接到電容的正極）對(duì)電容充電，此時(shí)表針向右擺動(dòng)后會(huì)快速歸零，穩(wěn)定后，再拔到10歐檔，繼續(xù)充電，表針穩(wěn)定后，再拔到1千歐檔，再充電，過一段時(shí)間后，看表針是否接近為零，此時(shí)表針的電流讀數(shù)就是1.5V電壓下電容的漏電流。值得注意的是，換檔過程中無須將表筆短路調(diào)零，另外，用歐姆檔是可以讀出電流的，讀法是，先估計(jì)表的內(nèi)阻r（約為指針居中是的電阻讀數(shù)），那么表針偏轉(zhuǎn)到滿量程時(shí)的電流約為1.5/r。通常選取耐溫105攝氏度、耐壓35V的正品2200uF鋁電解電容，1.5V時(shí)的漏電流幾乎為零。另外，不要試圖一次性使用1千歐檔測(cè)出大電解電容的漏電電流，因?yàn)?千歐檔充電速度太慢，幾十分鐘時(shí)間內(nèi)無法對(duì)電容充滿電。

正如前面所述，AB兩端的電壓是交流電壓。如果直接把AB輸出的交流電直接接在電容C上，那么，因電容具有“通交流阻直流”的作用，C對(duì)交流電產(chǎn)生“短路”效果，也就是說，當(dāng)AB兩端電壓為正時(shí)，線圈對(duì)電容正向充電，當(dāng)AB兩端電壓為負(fù)時(shí)，線圈對(duì)電容反向充電，在一個(gè)周期后，正向與反向充電相互底消，幾乎等于沒有充電，電壓無法持續(xù)積累，電容C兩端的電壓幾乎為零，能量全部被線圈的內(nèi)阻損耗。為了解決這個(gè)問題，在電路中串聯(lián)了一個(gè)二極管D1，使得線圈總是對(duì)電容C進(jìn)行單方向充電，促使電容兩端的電壓升高。這種串聯(lián)二極管的方法常被人們稱為半波整流，它可把交流電變?yōu)橹绷麟?，電路?jiǎn)單，不過效率較低。我們可以考慮使用全波整流，效率可提高接近一倍，但考慮到全波整流電路使用四個(gè)二極管，電路變得比較復(fù)雜，學(xué)生不易接受，所以我們最終選擇簡(jiǎn)單的半波整流。圖中的二極管D1可選取遍地開花的1N4148開關(guān)二極管或其它專用的整流二極管（如1N4001、1N4004、1N4007），只要是現(xiàn)代的二極管，用在這個(gè)電路中，基本上都沒有問題，當(dāng)然最好不要使用上世紀(jì)六七十年代的2AP9之類的管子。

D2是高亮度的LED發(fā)光二極管。LED具有發(fā)光效率高的特點(diǎn)，發(fā)光效率高達(dá)95%，而普通的白熾燈只有10%以下。隨著技術(shù)的成熟，LED將大面積取代普通燈具。接下來讓粗略的研究一下LED的特性。LED的伏安特性與普通白熾燈炮的伏安特性是完全不同的：

從圖中，我們看到，LED燈有個(gè)臨界導(dǎo)通電壓（不同類型的LED燈的臨界導(dǎo)通電壓略有不同），當(dāng)電壓達(dá)到3V以后，LED燈幾乎是突然導(dǎo)通的，微變電阻非常小，在電壓達(dá)3V以后，電壓只要有微小的變化，電流將發(fā)生巨大的變化。正因如此，如果把LED燈直接連接在電容C的兩端，將造成容器兩端的電壓無法繼續(xù)上升，只會(huì)保持在3V多一點(diǎn)，如果再升高，LED則強(qiáng)烈導(dǎo)通，電容上的電壓迅速下降，最終導(dǎo)至電容器的貯能效果沒有表現(xiàn)出來。為此，我們不得不在電路中加入一個(gè)限流電阻，以提高電容的貯能，并限制電流，延長(zhǎng)放電時(shí)間。當(dāng)然，這種做法將造成大量能量損耗在電阻上，白白浪費(fèi)了，實(shí)際電路工程設(shè)計(jì)中是不允許這么做的，通常會(huì)考慮使用更加復(fù)雜的電路來解決這個(gè)問題，但這已超出本文的范圍，這里力求簡(jiǎn)單、直觀、注重課堂使用的實(shí)效，所以只用一個(gè)電阻簡(jiǎn)單限流。

另外應(yīng)注意，LED燈的兩個(gè)引腳有正負(fù)極之分，如果接反了，燈不亮，也沒有電流通過，如果這時(shí)電壓很高，可能造成LED燈反向擊穿。

線圈的設(shè)計(jì)：

線圈的設(shè)計(jì)的主要困難是匝數(shù)問題。當(dāng)磁鐵的磁性不強(qiáng)時(shí)，所需的匝數(shù)比較多。在我們現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室配備的電磁感應(yīng)相關(guān)的儀器中，可以找到一些線圈，但大多數(shù)線圈因其匝數(shù)不夠，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不足以驅(qū)動(dòng)LED燈，一般要求5000匝以上。由于LED的正向壓降約為3V左右，D1的正向壓降為0.65伏左右，所以所需電動(dòng)勢(shì)應(yīng)在3.7V以上。為了避免制作失敗，安裝前，可將機(jī)械萬表2.5伏直流檔接在線圈上，將磁鐵插入，觀察針的偏轉(zhuǎn)情況，估測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如果最大讀數(shù)可達(dá)1伏，那么，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值就會(huì)有幾個(gè)伏特。磁鐵插入時(shí)不要太快，如果太快，峰電壓很高，時(shí)間短，但由于指針慣性大，不能馬上偏轉(zhuǎn)，讀數(shù)反而很小。如果有條件，可使用SR8等支持慢掃描的示波器，觀察線圈的輸出的電壓波形，即可知道輸出的準(zhǔn)確峰值電壓。

有個(gè)比較省事的方法，找個(gè)小型的交流接觸器，取出其中的線圈。這個(gè)線圈有7至10千匝，可滿足本實(shí)驗(yàn)要求。假如你沒有見過交流接觸器，可向?qū)W校的電工咨詢一下。

由于線圈內(nèi)阻達(dá)數(shù)千歐，所以它對(duì)電容充電的過程經(jīng)比較慢的，電容器上的電壓從0升到3伏需要一段時(shí)間，這段時(shí)間可能需要幾十秒。

磁鐵的選擇：建議使用實(shí)驗(yàn)室的小型U形磁，效果比較好。

制作過程：

找塊有機(jī)玻離板（選用專用電路板或木板或硬紙板等也可以），把元件固定在上面，用導(dǎo)線連接上即可，有條件的可采取錫焊。其中線圈不要固定在玻離板上，應(yīng)使用導(dǎo)線連接到外面，以方便操作。當(dāng)你理解以上原理及制作過程，并準(zhǔn)備好材料，僅需花費(fèi)1小時(shí)以內(nèi)的時(shí)間即可制作成功。最后再次強(qiáng)調(diào)，在連接電路前，請(qǐng)使用你手頭上的儀表仔細(xì)檢查，看看你所選用的元件是否符合上述的要求，如果你是從來沒有電路設(shè)計(jì)及制作的經(jīng)驗(yàn)，這一點(diǎn)就顯得非常重要，不然，當(dāng)LED不亮?xí)r，你將沒有足夠的理論知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)去解決問題，造成制作失敗。