一種交直流發(fā)電機原理全面解釋示教裝置

劉紹家

研究背景

中學物理課中，交直流發(fā)電機工作原理是一項重要內(nèi)容，但學生對交流發(fā)電機和直流發(fā)電機的構造和原理理解困難，尤其對電流方向改變的規(guī)律理解困難。只能聽老師口述，憑自己想象理解，不能形成感性認識，因而教學效果平平。

如能設計出線圈在磁場中作切割磁感線轉動時，學生能用肉眼直接觀察到線圈上產(chǎn)生了電流、線圈上電流的方向和輸出的電流方向隨線圈轉動而改變，就很容易掌握交直流發(fā)電機的原理和電流方向改變的規(guī)律，從而收到事半功倍的教學效果。

示教裝置的組成與結構

目前教師在講解交直流發(fā)電機的原理時，電流及電流方向的變化學生看不見摸不著，只能聽老師講授，憑自己想象理解，不能形成感性認識。本發(fā)明就是為這一不足而提供的一種交直流發(fā)電機原理全面解釋示教裝置。演示裝置只是起演示的作用，本身不產(chǎn)生電流。

裝置結構見圖l，裝置實物見圖2。

如圖1所示，示教裝置包括絕緣基板l、演示裝置2、內(nèi)隱裝置4，絕緣基板l上設有演示裝置2，演示裝置右側設有內(nèi)隱裝置4。

演示裝置2包括第一支架21、第二支架22、第三支架23、轉軸24、銅滑環(huán)25、換向器251、線圈26、磁鐵27、電刷28、小金屬滑環(huán)29、接線柱30。轉軸從第一支架、第二支架、第三支架上方穿過，轉軸的右端連有一搖柄31，第一支架的右側轉軸上設有一銅滑環(huán)和換向器，換向器和銅滑環(huán)右側連有一線圈，線圈分別安裝有兩條相反的可視線，即第一線圈電流可視線261與第二線圈電流可視線262。第一支架設有2個接線柱30，其上套有小金屬滑環(huán)，小金屬滑環(huán)上設有電刷，電刷分別與銅滑環(huán)或換向器接觸；在第一支架左側設有一燈泡32，燈泡與第一燈泡電流可視線321、第二燈泡電流可視線322、第三燈泡電流可視線323相連。3條燈泡電流可視線分別與燈泡火線接線柱與燈泡零線接線柱相連，第一支架上的2個接線柱分別通過絕緣線與燈泡火線接線柱與燈泡零線接線柱相連，演示裝置只是起演示的作用，本身不產(chǎn)生電流。

內(nèi)隱裝置4的主要構件為電流換向器41，它包括線圈供電換向器42和燈泡供電換向器43。

線圈供電換向器42為圓柱形，位于線圈26右側套合在轉軸24上，線圈供電換向器側壁上設有2條豎形的金屬觸片，它對面的側壁上也設有2條豎形的金屬觸片，金屬觸片之間相互絕緣，2條豎形的金屬觸片下方設有2個線圈供電電刷421，2個線圈供電電刷分別與外接的220V市電的火線、零線相連，線圈上的第一線圈電流可視線分別與2條豎形的金屬觸片相連，第二線圈電流可視線分別與對面的2條豎形的金屬觸片相連，外接的220V電源可以給第一線圈電流可視線和第二線圈電流可視線分別供電。這樣，演示時就可以看見可視線中電流的方向。

燈泡供電換向器43為圓柱形，位于第二支架22及第三支架23之間，燈泡供電換向器43左端的側壁上設有第一金屬觸片431，第一金屬觸片下方設有2個第一燈泡供電刷，2個第一燈泡供電刷串聯(lián)在外接的220V電源火線上并與第一燈泡電流可視線321電連接；第二金屬觸片432位于燈泡供電換向器43背面與第一金屬觸片錯開，第二金屬觸片側面設有2個第二燈泡供電刷，2個第二燈泡供電刷串聯(lián)在外接的220V電源火線上并與第二燈泡電流可視線322電連接。第三金屬觸片433位于第二金屬觸片右側，第三金屬觸片是正反面對應的2塊金屬片，它的下方設有2個第三燈泡供電刷，2個第三燈泡供電刷串聯(lián)在外接的220V電源火線上并與第三燈泡電流可視線323電連接。

裝置的具體工作過程

演示交流發(fā)電狀態(tài)時，將第一支架21上的電刷28移至與兩個銅滑環(huán)25接觸。接通電源后，搖動搖柄31，第一線圈電流可視線261點亮，可以看見線圈內(nèi)電流的方向，外接電源通過第一金屬觸片431將第一燈泡電流可視線321接通，同時，燈泡32點亮，第一燈泡電流可視線321點亮，可以看見其內(nèi)的電流方向，繼續(xù)搖動搖柄使得線圈與磁鐵垂直時，線圈中電流可視線熄滅，燈泡32熄滅，說明此時沒有電流產(chǎn)生。繼續(xù)向同一方向搖動搖柄旋轉，第二線圈電流可視線262點亮，可以看見線圈內(nèi)電流的方向與之前相反，外接電源通過第二金屬觸片432將第二燈泡電流可視線322接通，燈泡32點亮，第二燈泡電流可視線322點亮，可以看出第二燈泡電流可視線內(nèi)的電流方向與之前的方向相反。

演示直流發(fā)電狀態(tài)時，將第一支架21上的電刷28移至與換向器251接觸。關閉第一燈泡供電刷及第二燈泡供電刷的電源，打開第三燈泡供電刷的電源，搖動搖柄，可以看到線圈中電流的方向始終一致，第三燈泡電流可視線323點亮，燈泡與可視線的電流方向總是只朝一個方向流動。

裝置的優(yōu)越性

本發(fā)明的優(yōu)越性在于：線圈在磁場中作切割磁感線轉動時，借助裝置中的可視線，學生可以用肉眼直接觀察到線圈上產(chǎn)生了電流，可以觀察到線圈上電流的方向和輸出的電流方向隨線圈轉動而改變，因此更容易掌握交直流發(fā)電機的原理和電流方向改變的規(guī)律，從而更好地激發(fā)學生學習興趣，使教學效果更好，效率更高。

該項目獲得第30屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導員創(chuàng)新成果科技發(fā)明類一等獎。

專家評語

這個發(fā)明很有創(chuàng)新思想，讓觀察者可以明顯看到發(fā)電機產(chǎn)生的電流的流向，實在是一件非常好的示教設備。