渦流現(xiàn)象及其綜合應(yīng)用演示儀

楊婉華 李德安 江敏麗

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

渦流現(xiàn)象及其綜合應(yīng)用演示儀

楊婉華 李德安 江敏麗

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

在物理教學中，學生普遍對渦流現(xiàn)象的理解比較困難，而在教學過程中又缺少必要的演示裝置．根據(jù)教學需要，以教材為出發(fā)點，對人教版及粵教版的高中《物理·選修3-2》中關(guān)于“渦流”這一節(jié)的教學內(nèi)容當中涉及到的實驗進行整合設(shè)計．本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)多種渦流實驗的演示，包括渦流現(xiàn)象，影響渦流的因素，渦流熱效應(yīng)，減小渦流的方法，渦流的應(yīng)用等．此外，本演示儀還能演示電磁感應(yīng)與無線輸電，并且效果良好．

渦流 渦流熱效應(yīng) 綜合應(yīng)用 演示儀

在粵教版教材高中《物理·選修3-2》當中，渦流作為特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象被安排在電磁感應(yīng)一章的最后一節(jié)，教材內(nèi)容與社會生活聯(lián)系十分緊密．渦流產(chǎn)生在整塊導體的內(nèi)部，無法用電流表直接檢驗渦流的大小和方向，因此導致學生缺少對渦流的大小和方向的認識．歷年來都有關(guān)于渦流的實驗儀器涌現(xiàn)，但現(xiàn)有的裝置普遍存在綜合性不強，演示時間較長，沒有說明導體外周長對渦流大小的影響等缺點．

1 實驗裝置的設(shè)計思路與原理

渦流的現(xiàn)象及其應(yīng)用這一節(jié)涉及的實驗較多，頻繁更換儀器會耽誤課堂進度，浪費寶貴的上課時間．本裝置采取實驗整合的思路，采用ZVS(零電壓開關(guān))逆變器電路為通電線圈提供高頻電流，加快渦流熱效應(yīng)的產(chǎn)生．

渦流是導體在交變磁場中產(chǎn)生的環(huán)繞導體軸線一圈一圈流動的感應(yīng)電流．當線圈通入高頻交變電流時，線圈上的金屬片產(chǎn)生渦流而發(fā)熱．若在金屬上涂上溫變油墨，溫變油墨便會隨著金屬溫度的升高而變色，從而反映渦流的大?。甖VS(零電壓開關(guān))逆變器將直流輸入逆變成高頻交流電為線圈通電．高頻電流能夠在線圈周圍產(chǎn)生高頻交變磁場，高頻交變磁場使金屬產(chǎn)生很大的渦流．

2 演示儀的制作

2.1 制作材料和所需工具

制作材料：600 W開關(guān)電源、洞洞板(2塊)、100 μH線圈(2個)、470 Ω電阻(2個)、FR307整流二極管(2個)、IN4742穩(wěn)壓二極管(2個)、10 kΩ電阻(2個)、IRFP260場效應(yīng)晶體管(2個)、0.33 μF電容(12個)、2 μH銅管線圈(2個)、大面積散熱片(4片)、24 V散熱扇(1個)、空氣開關(guān)、電流表、水泵、7 mm硅膠管、接線柱(若干)、銅柱、導線若干、亞克力板、0.1 mm紫銅片、鐵片、鋁片和紙片若干、60 mm×60 mm×20 mm小木塊(4塊)等.

所需工具：螺絲刀、焊錫筆、焊錫、剪刀、松香、剝線鉗等.

2.2 演示儀制作方法

(1)制作ZVS(零電壓開關(guān))逆變器，如圖1電路圖所示焊接逆感應(yīng)加熱電路．

圖1 感應(yīng)加熱電路圖

(2)按照如圖2所示組裝各裝置.

圖2 組裝示意圖

2.3 制作感應(yīng)加熱金屬片

(1)將紫銅片、鐵片、鋁片和紙片各剪成若干個半徑為與銅管線圈半徑大致相等(約為2.5 cm)的圓.

(2)在其中一片圓鐵片中心畫一個半徑為5 mm的小圓，在小圓外的圓環(huán)當中等間距地剪去張角為10°的扇形.

(3)將鐵片剪成半徑稍小(約為1.5 cm)的圓.

(4)剪取18片長為10 cm，寬為2 cm的矩形鐵片分為兩份，一份緊密粘合在一起后用木塊固定好，另一份固定在事先劃好3個槽的木塊上，每個槽固定3塊鐵片.

(5)把溫變油墨均勻地涂在金屬片和紙片上.

(6)輕鋁環(huán)：用錫箔紙剪兩片長約20 cm，寬約2 cm的薄片，對折成長條狀．將其中一條長條圍一圈成閉合鋁環(huán)，另一條圍成開口的鋁環(huán).

3 實驗裝置與現(xiàn)象

演示儀整體結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示.

圖3 渦流現(xiàn)象與應(yīng)用綜合演示儀外觀

演示儀主要由開關(guān)電源、感應(yīng)加熱電路、銅管線圈、散熱扇、水泵和電流表構(gòu)成.開關(guān)電源向感應(yīng)加熱電路及散熱扇供電，感應(yīng)加熱電路將直流電逆變成高頻交流電為銅管線圈通電，散熱扇與水泵分別對感應(yīng)加熱電路與銅管線圈進行散熱.

圖4 裝置內(nèi)部構(gòu)造

3.1 演示金屬渦流現(xiàn)象

將薄木板做成的比銅管線圈稍高的架子放置在線圈上方，鐵片和紙片分別放在兩個線圈的正上方．

渦流是在導體中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，因此在鐵片上會因為產(chǎn)生了渦流而發(fā)熱．同時鐵片的電阻率小，產(chǎn)生的渦流大，迅速使其上方的溫變油墨從外到里變色．利用溫變油墨變色的情況說明了渦流的方向．而紙片則不會產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，更不能發(fā)熱使溫變油墨變色．

3.2 影響渦流大小的因素

(1)導體電阻率

將半徑相等的圓鋁片和銅片分別放在線圈正上方．由于銅的電阻率較小，當兩個線圈中通入的電流相同時，銅片相比起鋁片所產(chǎn)生的渦流更大，產(chǎn)生的熱量更多，溫變油墨變色更快更明顯，如圖5所示．

圖5 演示金屬電導率對渦流的影響

(2)導體外周長大小

將半徑不同的鐵片放置在線圈正上方，半徑更大的鐵片產(chǎn)生的熱量使邊緣處的溫變油墨變色更快．在同一片鐵片上半徑越大的溫變油墨圈變色越快，說明導體外周長越大，產(chǎn)生的渦流越大，如圖6所示．

圖6 演示導體外周長大小對渦流的影響

3.3 減少渦流熱效應(yīng)的方法

將步驟4中的緊密疊壓的鐵片和分槽固定的鐵片豎直放入加熱線圈的中央，鐵片上的溫變油墨從下往上變深，說明通電線圈里面的磁場比線圈外的更強；緊密疊壓的鐵片比分槽固定的鐵片變色更快，驗證了減少渦流熱效應(yīng)的方法：用薄片疊壓的鐵芯代替整塊鐵芯，如圖7所示．

圖7 演示減小渦流熱效應(yīng)的方法

3.4 渦流的應(yīng)用

(1)渦流驅(qū)動

將開口和閉合鋁環(huán)分別放在感應(yīng)加熱線圈正上方，啟動電源，線圈通電，鋁環(huán)中的磁通量發(fā)生變化．閉合鋁環(huán)產(chǎn)生感應(yīng)電流，根據(jù)楞次定律，閉合鋁環(huán)將會受到一個向上的安培力而向上跳起，開口鋁環(huán)則不能產(chǎn)生電流而靜止，如圖8所示．

圖8 演示渦流驅(qū)動

(2)渦流檢測

渦流檢測的演示如圖9所示.把電流表串聯(lián)到電路當中，啟動電源．用金屬棒靠近感應(yīng)加熱線圈，線圈產(chǎn)生的交變電場在金屬物中激起渦流，渦流又會產(chǎn)生感應(yīng)電場引起線圈中電流的變化，電流表的指針發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)；用非金屬棒靠近線圈，電流表的指針沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)．

圖9 演示渦流檢測

4 實驗裝置特點

(1)演示速度快

只需10多s的時間便能迅速加熱至溫變油墨變色，極大提高了課堂演示實驗的效率．

(2)現(xiàn)象直觀明顯，對比性強

將兩個相同感應(yīng)加熱線圈對不同材料產(chǎn)生的不同渦流現(xiàn)象進行對比，直觀明顯地說明影響渦流大小的因素．

(3)材料新穎

極大提高了學生的學習興趣．采用溫變油墨顯示溫度變化，既能顯示同一過程中溫度變化的趨勢，還能顯示同一時刻金屬片上不同部分溫度的高低，直觀反映了渦流熱效應(yīng)的大小．

(4)綜合性強

覆蓋教材中關(guān)于渦流現(xiàn)象的絕大部分實驗，裝置更換方便，有效輔助教學．

1 王浙偉. 渦流熱效應(yīng)演示實驗的改進.教學儀器與實驗，2009(9)：15～17

2 王文杰. 高頻并聯(lián)諧振逆變電源的研究:[學位論文].鄭州：鄭州大學,2014

3 徐益勇. 渦流熱效應(yīng)演示實驗的改進.物理教師，2016(1)：57～59

4 王麗婭，李明輝，張金斗. 渦流作用演示器.教學儀器與實驗，2006(12)：41～42

5 郝志新. 關(guān)于渦流自制教具的思考.亞太教育，2015(29)：106

6 葉向陽. 渦流演示器.教學儀器與實驗，2014(12)：25～26

2016-12-19)