線圈扭轉(zhuǎn)演示器

湖北省應(yīng)城市實驗初級中學(432400) 汪水望

1 研制背景

人教版9年級物理中的演示實驗“通電線圈在磁場中受力扭轉(zhuǎn)”,由于沒有配套的實驗器材致使該實驗無法進行。類似教具有電動機原理說明器,其結(jié)構(gòu)復雜,轉(zhuǎn)子不能取出,用5節(jié)干電池都不能使線圈轉(zhuǎn)動,必須使用大電流的學生電源才能驅(qū)動,使用起來不方便,內(nèi)置換向器型號太小,實驗中學生看不清楚。手搖發(fā)電機,摩擦力大,皮帶老化無力,不易帶動轉(zhuǎn)子,封閉式結(jié)構(gòu)不便于學生觀察,不能顯示電流方向。

為了解決上述問題,筆者進行了以下改進：①采取增大磁極間的距離,繞制大線圈穿軸固定,解決了“通電線圈在磁場中受力扭轉(zhuǎn)”實驗因沒有配套的實驗器材致使該實驗無法進行的問題;②采取增加線圈的匝數(shù),繞制大線圈增加了線圈的長度和寬度,從而增大磁場力,增大轉(zhuǎn)動力矩;在空心軸上安裝軸承減小摩擦力;只需1 節(jié)干電池即可驅(qū)動,解決了電動機原理說明器用5節(jié)干電池都不能使線圈轉(zhuǎn)動的問題;③采取外置大型可靈活拆裝的換向器和銅環(huán),敞開式定子結(jié)構(gòu),活動插板,解決內(nèi)置小型換向器,封閉式結(jié)構(gòu)不便于學生觀察,轉(zhuǎn)子不能取出,不能顯示電流方向的問題。

2 制作方法

如圖1所示,把銅板彎成半圓形兩端內(nèi)鉤,制作成1對換向器。如圖2所示,制作銅環(huán)1對。換向器和銅環(huán)的大小與換向器座相匹配并且可靈活拆裝于換向器座上。

如圖3所示,制作換向器座。在尼龍圓柱體的一端切削出稍小的圓柱體,供套裝換向器或銅環(huán)之用;沿軸線鉆穿中心孔,供穿空心軸之用;在豎直方向直徑兩側(cè)銑出4條凹槽,以固定換向器;在水平方向中心孔兩側(cè)各鉆1個小孔,安裝金屬插孔(如空心金屬鉚釘),以固定漆包線兩端;在圓柱體側(cè)面錯位鉆孔,與小孔相通,鑲嵌彈性導電體(如銅片或金屬碰珠),使彈性導電體底端跟金屬插孔相連,頂端跟換向器及銅環(huán)的內(nèi)壁都能接觸,彈性導電體作用是通過金屬插孔把漆包線的兩端跟換向器或銅環(huán)連接起來,制成了換向器座。

圖1 換向器

圖2 銅環(huán)

圖3 換向器座

如圖4所示,用漆包線繞制線圈,空心軸鉆穿線孔后穿過線圈,漆包線兩端從穿線孔穿入空心軸內(nèi),從中引出漆包線由換向器座的金屬插孔固定,將軸承、換向器座、換向器,組裝成轉(zhuǎn)子。

如圖5所示,用亞克力板制作活動插板,活動插板上有兩個發(fā)光二極管,發(fā)光二極管的正負極反向并聯(lián),跟包裹固定在活動插板上的銅片相連接,發(fā)光二極管偏離中線錯位安裝,使離邊緣遠的一端統(tǒng)一接二極管的正極或者負極,便于識別發(fā)光二極管的正負極接在那一端,活動插板的作用是在演示直流發(fā)電機和交流發(fā)電機時,替換電池,顯示電流方向。

將鋼板切割成“┿”形,前后側(cè)上彎至豎直位置,其頂端固定有近似U 形的開口,可以靈活取放轉(zhuǎn)子,制成了轉(zhuǎn)子支架,將磁靴底部吸在磁鐵上,磁鐵吸在轉(zhuǎn)子支架左右兩側(cè),轉(zhuǎn)子支架固定在底板上,形成敞開式定子結(jié)構(gòu)。將電池夾片、開關(guān)固定在底板上,并與電刷相連組裝成演示器,其實物圖如圖6所示。

圖4 轉(zhuǎn)子

圖5 活動插板

圖6 實物圖

3 使用方法及效果

(1)演示通電線圈在磁場中扭轉(zhuǎn)。取下?lián)Q向器,把插頭插入換向器座上的金屬插孔中,閉合開關(guān),通電線圈在磁場中扭轉(zhuǎn)。(2)演示通電線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)。裝上換向器,把插頭插入電刷上的電刷插孔中,閉合開關(guān),通電線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)起來。(3)演示直流發(fā)電機。用活動插板替換電源,旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子,其中一個二極管發(fā)光;反向旋轉(zhuǎn),另一個二極管發(fā)光。 (4)演示交流發(fā)電機。用銅環(huán)替換換向器,旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子,二極管交替發(fā)光。

4 演示器的優(yōu)缺點

(1)敞開式定子結(jié)構(gòu),便于觀察和取出轉(zhuǎn)子。(2)外置大型可靈活拆裝換向器和銅環(huán),直觀地向?qū)W生展示有著細微結(jié)構(gòu)的直流電動機換向器、交流發(fā)電機銅環(huán)等的由來、構(gòu)造及工作原理,明顯地增大了教學的可見度、直觀性和趣味性,再現(xiàn)了線圈從扭轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)這一科學發(fā)明過程,突破了換向器改變線圈中電流方向,使線圈從扭轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)這個教學難點。(3)采用帶發(fā)光二極管的活動插板顯示電流方向。 (4)制作難度大,成本高,只有工廠大批量生產(chǎn)才能降低制作成本。