新型楞次跳環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置的制作

(江蘇省丹陽(yáng)高級(jí)中學(xué),江蘇 丹陽(yáng) 212300)

1 引言

跳環(huán)實(shí)驗(yàn)是關(guān)于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的著名演示實(shí)驗(yàn),在圓柱形鐵心上繞一個(gè)多匝線圈,將一輕質(zhì)鋁環(huán)套在鐵棒上,當(dāng)線圈接通電源時(shí),鋁環(huán)便向上跳起,故稱“跳環(huán)”實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)芤砸环N強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊來(lái)演繹電磁感應(yīng)定律和楞次定律,具有非常好的教學(xué)功能。筆者用兩種不同方案對(duì)此進(jìn)行了制作和實(shí)驗(yàn),效果較好。

2 制作方案

2.1 低壓電源版

電路如圖1所示,制作要用到的電子元件有:

(1) 18650鋰離子電池。其電動(dòng)勢(shì)為4.2V,3節(jié)串聯(lián)可得到12.6V的電壓。

(2) ZVS升壓集成板。它有4個(gè)接線柱,其中兩個(gè)輸入接線柱接鋰離子電池組的輸出端；另外兩個(gè)接線柱能輸出450V的直流高壓。

(3) 標(biāo)稱為“500V,1000uF”的電解電容。升壓集成塊的輸出端可直接與電容兩極相連,對(duì)其進(jìn)行充電,注意正負(fù)極不能接反。

(4) 70TPFS16晶閘管?！?0”指它能通過(guò)70A的電流,“16”指它能承受1600V的高壓。晶閘管相當(dāng)于一個(gè)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān),它有K、A、G三個(gè)引腳，當(dāng)GK腳之間不通電時(shí),AK處于斷開(kāi)狀態(tài),當(dāng)GK之間通過(guò)150mA左右的觸發(fā)電流時(shí),AK處于導(dǎo)通狀態(tài),能通過(guò)高達(dá)70A的超大電流,所以它實(shí)際就是一個(gè)用小電流控制大電流的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān),用于控制充電后的電容器對(duì)線圈進(jìn)行大電流放電,原因是一般的觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)無(wú)法承受較強(qiáng)的沖擊電流,易燒毀。

(5) 線圈。在內(nèi)徑為8mm的PVC管上用直徑0.8mm的漆包線繞6層,每層30匝,共計(jì)180匝。

(6) FR607續(xù)流二極管。由于電容器放電時(shí)線圈中電流急劇增大又急劇減小,如果沒(méi)有該二極管的續(xù)流作用,會(huì)在線圈兩端形成極高的自感電動(dòng)勢(shì),造成其他電子元件的損壞。

(7) 觸發(fā)開(kāi)關(guān)兩個(gè)。該開(kāi)關(guān)為非自鎖型,按下接通,不按斷開(kāi)。一個(gè)用于控制充電,一個(gè)用于控制放電。

(8) 數(shù)字電壓表。用于監(jiān)測(cè)電容器兩端電壓變化情況。

圖1

圖2

優(yōu)點(diǎn)：成本低,功耗小,體積小便攜,低壓安全。

2.2 高壓電源版

高壓電源版跳環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，電路原理如圖4所示，220V交流電通過(guò)四個(gè)二極管組成的橋式整流電路得到峰值為311V的直流電。電容器仍用“500V,1000uF”的電解電容，為了獲得更好的效果，可用多個(gè)電容并聯(lián)使用。當(dāng)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)與左側(cè)兩端點(diǎn)連通時(shí),電容器充電1-2s,再與右側(cè)兩端點(diǎn)連接時(shí),電容器對(duì)線圈放電,鋁環(huán)跳起的基本原理與方案1相同,不再累述。

圖3

圖4

特點(diǎn)：制作原理看似簡(jiǎn)單,但由于利用高電壓、大電流充放電,對(duì)實(shí)際操作能力要求嚴(yán)格,對(duì)元器件的要求也較高，應(yīng)當(dāng)注意安全。

本實(shí)驗(yàn)可用微信掃描圖5所示的二維碼直接觀看。

圖5

3 結(jié)語(yǔ)

楞次定律是高中物理電磁學(xué)部分的一個(gè)重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容,本文介紹了物理實(shí)驗(yàn)“楞次跳環(huán)”的創(chuàng)新制作方案,通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并對(duì)其科學(xué)原理進(jìn)行剖析,能夠幫助學(xué)生更好更快地理解和掌握該定律，也能夠幫助教師更好地進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。