電磁現(xiàn)象原因剖析及演示裝置制作要領(lǐng)

王偉民 楊培軍

安徽省太和縣宮集鎮(zhèn)中心學(xué)校(236652) 安徽省阜陽市教育科學(xué)研究所(236000)

1 兩個有趣的電磁現(xiàn)象

如圖1(a)所示，將圓柱形磁鐵置于水平桌面上，將1節(jié)干電池放在磁鐵的上方，并保持磁鐵與電池負極良好接觸。取一外形呈M狀的裸線圈套在電池外,如圖1(b)所示。線圈向內(nèi)突起的部分置于電池的正極上，兩端彎成圓弧狀的兩部分從電池兩側(cè)壓在磁鐵的側(cè)面。松手后，觀察到線圈快速的旋轉(zhuǎn)起來。

圖1 電磁現(xiàn)象1

如圖2所示，將1節(jié)干電池夾在2個相同的圓柱狀磁鐵之間并固定(因電池的正負極多是磁性材料，兩磁鐵會“自動”吸引電池的兩極而固定)，保持電池兩極與兩磁鐵良好接觸，將磁鐵與電池組成的系統(tǒng)塞進一個裸露的銅質(zhì)彈簧線圈內(nèi)。當兩磁鐵都與彈簧線圈接觸后，電池與磁鐵組成的系統(tǒng)如同出堂的子彈一般，快速地從彈簧線圈一端“射”到另一端。

圖2 電磁現(xiàn)象2

如果將這兩個實驗以課堂演示的方式引入到電與磁板塊相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)之中，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣定會十分濃厚。再結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生對形成該現(xiàn)象的原因作深入的理論剖析，將會收到良好的課堂教學(xué)效果。

為便于分析，給這兩個實驗分別命名為“簡易電動機模型實驗”和“電池穿越彈簧隧道實驗”。

那么，產(chǎn)生這兩個有趣實驗現(xiàn)象的原因何在？如果作為課堂演示實驗，在制作實驗裝置時應(yīng)該注意什么問題？

2 簡易電動機模型實驗

2.1 實驗現(xiàn)象原因剖析

如圖3所示，(a)(b)兩圖是簡易電動機模型的結(jié)構(gòu)示意圖。假設(shè)圓柱形磁鐵的N極與電池的負極相連，不妨以線圈平面與紙面平行的狀態(tài)進行分析(由于圓柱形磁鐵周圍空間的磁感線是以圓柱體的軸線為對稱軸的旋轉(zhuǎn)對稱圖形，所以線圈在空間內(nèi)其他任何位置時的空間受力分析。結(jié)果是一樣的)。如圖3(c)所示，M狀線圈的ab邊和cd邊通入的電流方向相同，均為豎直向下。但這組對邊所在處的磁場方向不同，ab邊所在位置的磁場方向向左，cd邊所在位置的磁場方向向右。根據(jù)左手定則可以判斷，ab邊受到垂直紙面向里的磁場力，cd邊受到垂直紙面向外的磁場力。所以，這組對邊在方向相反的磁場力的作用下，會繞其豎直的中軸線不停的按順時針方向轉(zhuǎn)動(從上往下看)。當然，如果調(diào)換磁鐵南北極的上下位置，或者調(diào)換電池正負極的上下位置，線圈的轉(zhuǎn)動方向都將改變，會由原來的順時針方向轉(zhuǎn)動改變?yōu)槟鏁r針方向轉(zhuǎn)動(從上往下看)。

2.2 簡易電動機模型的制作要領(lǐng)

該簡易電動機模型構(gòu)造簡單，制作方便，圓柱形磁鐵既是磁場的提供者，又是電路不可或缺的一部份。學(xué)生實驗時，經(jīng)教師指導(dǎo)后也可以“輕易”制作成功，但一些細節(jié)問題必須加以注意，具體如下。

2.2.1 磁鐵應(yīng)選擇強磁性磁鐵

在線圈長度和通入的電流一定的情況下，只有線圈所處在的磁場足夠強，才能產(chǎn)生足夠的磁場力，以克服各接觸點的摩擦力(包括線圈與電池正極間的摩擦力和線圈兩端與圓柱體磁鐵側(cè)面間的摩擦力)，維持線圈的持續(xù)轉(zhuǎn)動。否則，如果磁鐵磁性較弱的話，即使通電后磁場中線圈豎直的兩邊因受到的力較小可能無法轉(zhuǎn)動。實驗室或商店出售的扣式圓柱形磁鐵，通常磁性很強，可用來作為簡易電動機模型的“部件”，制作的成功率也較高。要注意的是，很多磁鐵的表面涂有絕緣漆，實驗前必須用銼刀將絕緣漆銼掉，否則線圈無法通電旋轉(zhuǎn)。

2.2.2 線圈的兩端與磁鐵的側(cè)面應(yīng)保持良好接觸且壓力適中

如果線圈的兩端與磁鐵的側(cè)面接觸不良，線圈處于斷路狀態(tài)，沒有電流通過，不會受到磁場的作用力，線圈便不會轉(zhuǎn)動。所以，必須保持線圈兩端的部分與磁鐵的側(cè)面有足夠的壓力。為此，在線圈套在磁鐵之前，彎成圓弧狀的兩端的間距應(yīng)該調(diào)整為比磁鐵的截面直徑略小，只有這樣，將線圈套在磁鐵上之后，線圈兩端的部分才會對磁鐵的側(cè)面有足夠的壓力。但該壓力也不可過大，否則轉(zhuǎn)動的線圈與磁鐵側(cè)面間的摩擦過大，會影響通電線圈的轉(zhuǎn)動。將線圈套上后可以反復(fù)進行調(diào)試，以保證線圈能保持最佳轉(zhuǎn)動狀態(tài)。

2.2.3 線圈不能選用磁性材料制作

線圈不能用鐵絲、鋼絲等磁性材料制作，因為這類材料被強磁鐵磁化之后，線圈的兩端會被磁鐵吸引，緊緊的壓在磁鐵上，無法轉(zhuǎn)動。宜選擇銅質(zhì)或鋁質(zhì)線圈，如果是絕緣線圈，還應(yīng)注意把線圈與電池及線圈與磁鐵接觸部分的絕緣漆刮掉，以免接觸不良，影響線圈的轉(zhuǎn)動。

2.3 簡易電動機模型的優(yōu)越性

實際上，人教版初中物理教科書也有相關(guān)電動機模型的制作介紹，與教科書中介紹的簡易電動機模型相比，本文介紹的電動機模型更具優(yōu)越性，不僅制作方便、操作簡單，而且實驗成功率高。

(1)教科書中給出的簡易電動機模型需要用兩個金屬支架作為供電的導(dǎo)線，金屬支架還需要用一個底座來固定，制作比較麻煩，且構(gòu)造相對“復(fù)雜”。而本文介紹的簡易電動機模型，無需其他導(dǎo)線連接，磁鐵既是磁場的提供者，同時也作為連接電路的“導(dǎo)線”，構(gòu)造簡單，制作方便。

(2)教科書中給出的簡易電動機模型在“工作”時，為了能夠連續(xù)轉(zhuǎn)動，在沒有換向器的情況下，將充當線圈轉(zhuǎn)軸的半周絕緣漆刮去，設(shè)計成在線圈轉(zhuǎn)動的一圈內(nèi)，只有半周供電，另外半周依靠線圈的慣性轉(zhuǎn)動。因為只有半周供電，如果線圈電流不是很大，或者磁鐵磁性不是很強，線圈很難保持持續(xù)轉(zhuǎn)動，制作的模型往往以失敗告終。而本文介紹的簡易電動機模型，在線圈轉(zhuǎn)動的整個過程中，電源持續(xù)供電，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，相對于課本中介紹的模型，制作成功率較高。

(3)教科書中給出的簡易電動機模型，在繞制線圈時，如果線圈的重心偏離轉(zhuǎn)軸過遠(因為線圈很小，只有火柴盒的截面那么大，所以繞制的結(jié)果很難保證線圈重心剛好在轉(zhuǎn)軸上，通常都有所偏離)，線圈所受的磁場力矩可能不足以克服重力力矩而無法持續(xù)的轉(zhuǎn)動。而本文介紹的簡易電動機模型，即便線圈的左右兩邊不對稱，線圈重力的力矩都不影響線圈的轉(zhuǎn)動(因為重力方向豎直向下，而線圈所受的磁場力方向是水平的)。

3 電池穿越彈簧隧道實驗

該實驗裝置是將兩個圓柱形磁鐵分別固定在電池的正負極，將該電池-磁鐵組成的系統(tǒng)插入彈簧線圈，當兩端的磁鐵與線圈接觸之后，系統(tǒng)會在彈簧線圈內(nèi)向前運動。實際上，只在電池的一端(比如負極)固定磁鐵并組成一個系統(tǒng)，當系統(tǒng)插入彈簧線圈之后，設(shè)法使電池的另一極與線圈相接觸(比如在電池的正極固定一個比電池外徑稍大的圓柱體金屬塊)，系統(tǒng)依然可以在彈簧線圈內(nèi)向前運動。下面先以后者為例進行受力分析。

3.1 實驗現(xiàn)象原因分析

將圓柱形薄磁鐵的S極與一節(jié)干電池的負極接觸，圓柱體小鐵塊與電池正極固定，三者組成一個系統(tǒng)(磁鐵和鐵塊截面直徑比電池略大，以保證它們與線圈良好接觸)，將該系統(tǒng)插入彈簧線圈的一端，如圖4所示。A、B兩點分別是鐵塊和磁鐵與線圈的接觸點(圖4中未將鐵塊畫出)，則線圈上鐵塊和磁鐵之間的部分有電流通過，成為一段通電螺線管，由安培定則可以判斷，這段螺線管(圖4中AB之間的部分)左端為N極，右端為S極。根據(jù)磁極間力的作用規(guī)律可知，通電螺線管與磁鐵相互吸引，磁鐵因受螺線管的吸引而推著前面的電池和鐵塊克服摩擦力在彈簧線圈內(nèi)向右運動。而隨著磁鐵—電池系統(tǒng)的右移，通電螺線管也不斷的右移(螺線管始終在磁鐵的前面，與磁鐵保持固定的距離并與磁鐵相吸引)。所以，磁鐵—電池系統(tǒng)會不停的在彈簧線圈內(nèi)向右運動，直到離開彈簧為止。

圖4 電池一端固定磁鐵系統(tǒng)示意圖

當然，對初中學(xué)生來說，用磁極間的作用規(guī)律來解釋電池穿越彈簧隧道現(xiàn)象的原因，學(xué)生容易接受，對高中學(xué)生而言，也可以利用磁場對通電導(dǎo)體力的作用規(guī)律來進行分析。圖4中，取線圈中的某一段來進行受力分析。比如線圈的CD段所在處的磁場方向垂直紙面向里，該段導(dǎo)體中的電流方向向上，由左手定則可以判斷，CD段所受磁場力的方向水平相左。同樣的道理，在通電線圈中取其他任意一段，所受磁場力的方向也都是水平向左。因此，整個通電線圈都受到磁鐵對其水平向左的吸引力，由于物體間力的作用是相互的，通電線圈對磁鐵存在向右的吸引力(該結(jié)論跟判斷通電螺線管的磁極后，根據(jù)磁極間的作用規(guī)律進行判斷，結(jié)果是一致的)，所以磁鐵-電池系統(tǒng)會在線圈內(nèi)向右運動。

再分析電池兩端分別固定兩個磁鐵的情形(即圖2實驗中的情形)。如圖5所示，將兩個大小相同的圓柱形磁鐵的同名磁極(比如兩個S極)分別與一節(jié)干電池的正負極連接并固定，三者組成一個系統(tǒng)，將該系統(tǒng)置于彈簧線圈內(nèi)。當兩磁鐵都與線圈接觸時，兩磁鐵之間的線圈成為一段通電螺線管，根據(jù)安培定則可以判斷，該通電螺線管的左端為N極，右端為S極，所以左邊與電池負極相連的磁鐵受到螺線管的吸引，右邊與電池正極相連的磁鐵受到螺線管的排斥。因此，整個系統(tǒng)受到螺線管向右的作用力，故系統(tǒng)在彈簧線圈內(nèi)向右運動。如果同時更換兩磁鐵的磁極，將兩磁鐵的N極分別與電池的正負極相連，那么整個系統(tǒng)受到磁場力的方向?qū)⒆兊孟喾矗到y(tǒng)會在彈簧線圈內(nèi)向左運動。當兩個同樣的磁鐵(即形狀相同，磁性也相同)的異名磁極分別與電池兩極相連并固定，三者組成一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)置于彈簧線圈內(nèi)時，盡管兩磁鐵之間的線圈也會成為通電螺線管，但是，電池兩端的兩個磁鐵所受螺線管的作用力大小相等，方向相反，作為整體，系統(tǒng)所受到的這兩個磁場力是一對平衡力，系統(tǒng)不會在磁場內(nèi)向任何方向運動。

圖5 電池兩端固定鐵的系統(tǒng)示意圖

3.2 彈簧穿越隧道模型的制作要領(lǐng)

跟簡易電動機模型轉(zhuǎn)動過程所受的摩擦力不同，電池穿越彈簧隧道模型所受的摩擦阻力主要來自于電池-磁鐵系統(tǒng)與彈簧線圈間的滑動摩擦力，相對于簡易電動機模型，摩擦阻力較大，如果通電螺線管提供的磁場力(動力)不大于電池-磁鐵系統(tǒng)所受線圈的滑動摩擦力，那么電池—磁鐵系統(tǒng)是無法在彈簧線圈內(nèi)前進的。所以，為使該實驗裝置制作成功，應(yīng)該從增大磁場力和減小摩擦阻力兩個方面綜合考慮。

3.2.1 電池-磁鐵系統(tǒng)應(yīng)盡可能輕

電池-磁鐵系統(tǒng)在彈簧線圈內(nèi)向前運動時，所受的摩擦阻力與系統(tǒng)的重力大小成正比，電池-磁鐵系統(tǒng)越輕，所受的摩擦阻力就越小。因此，在選擇制作器材時，從減小系統(tǒng)重力的角度考慮，宜選擇截面半徑最小的7號電池和截面略大于電池的輕薄磁鐵。

3.2.2 磁鐵的側(cè)面和彈簧線圈內(nèi)部應(yīng)盡可能光滑

電池—磁鐵系統(tǒng)在線圈內(nèi)運動時，所受摩擦力的大小不僅跟系統(tǒng)重力有關(guān)，還跟系統(tǒng)與線圈接觸面的粗糙程度有關(guān)，重力一定時(此時壓力一定)，接觸面越光滑，滑動摩擦力就越小。所以，將磁鐵的側(cè)面和彈簧線圈內(nèi)部磨得光滑一些，可以減小滑動摩擦力。

3.2.3 應(yīng)選擇新電池

制作該模型，應(yīng)使用新電池。因為電池用久之后內(nèi)阻增大，在電池電動勢一定時，通過線圈的電流必然會減小，通電螺線管的磁性減弱，通電螺線管與磁鐵間的相互作用力就會減小。若動力不足，電池-磁鐵系統(tǒng)可能不足以克服摩擦力而無法向前運動。

3.2.4 線圈應(yīng)盡可能密集

為了使螺線管具有更強的磁性，使電池-磁鐵系統(tǒng)獲得足夠的動力，線圈應(yīng)盡可能密集。因為電池的長度是一定的，稀疏的線圈通電匝數(shù)較少，即使電流較大，磁性也不會很強。另外，線圈應(yīng)該用電阻率小的非磁性材料制作，因為磁性材料(如鐵質(zhì)彈簧)會被強磁鐵吸引，磁鐵與線圈間的摩擦力顯著增大，系統(tǒng)獲得的磁場力(動力)很可能不足以克服摩擦阻力而無法運動。采用密集的銅質(zhì)線圈較好，實驗的成功率較大。

課堂教學(xué)中，如果能夠適時插入一個好的演示實驗，會極大地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，對新課教學(xué)能夠起到事半功倍的效果。而“好”的演示實驗通常具有以下特點：①結(jié)構(gòu)簡單，制作方便;②能夠引起學(xué)生的興趣;③可以用學(xué)習(xí)的“新”知識解釋實驗現(xiàn)象形成的原因。對比以上3點不難看出，電與磁這一板塊，無論是在初中物理教學(xué)、還是高中物理教學(xué)過程之中，如果能夠?qū)⑸鲜觥昂喴纂妱訖C模型實驗”和“電池穿越彈簧隧道實驗”以課堂演示的方式不失時機的“引入”課堂，無疑會讓課堂教學(xué)妙筆生花。