自制简易装置分析法拉第电磁感应定律
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自制简易装置分析法拉第电磁感应定律 发布于:2019/04/27
    一、结构设计
   法拉第电磁感应定律的表达式为ε=ΔΦ/Δt,式中,t为时间,Φ为磁通量,即Φ=NBS,ΔΦ为磁通量的变化量,Δt为时间的变化量,S为线圈回路面积,B为磁通密度,N为线圈匝数。
   根据这一定律,当线圈中的磁通密度出现周期性变化时,线圈上将感应出周期性变化的感生电动势。为了更好地理解这一定律,我设计了如下实验装置。
   如图1所示,圆柱筒外缠有线圈,线圈被分为匝数相同的三组,彼此串联,圆柱筒内有三个永磁体,其中两个分别固定于两个端部,中间的永磁体可在圆柱筒内沿轴向运动,永磁体轴向充磁。端盖的外直径与圆柱筒内径相等,端盖被固定在圆柱筒两端,永磁体位于端盖内侧,其极性设置为运动磁体与两端的固定磁体都有排斥作用。晃动永磁-线圈系统,永磁体在圆柱筒内往复运动,线圈两端将感应出交变电动势。
   为了直观观察感生电动势的大小,将LED与线圈连接,线圈的输出电压足够大时点亮LED。绕组1、绕组2与绕组3有两种串联方式,一是绕组1、绕组2与绕组3同向串联,如图2(a)所示,二是绕组1、绕组2与绕组3之间相邻线圈反向缠绕,如图2(b)所示。
  
   二、实验與分析
   通过大量实验,观察到以下现象:1.晃动速度越快,LED越亮;2.线圈匝数越多,LED越亮;3.相邻线圈绕组绕向相反时LED的亮度明显大于同向缠绕时的亮度。
   根据法拉第电磁感应定律,实验现象1与2容易理解,但实验现象3不容易理解,需要进一步分析。
   永磁体产生的磁力线与线圈中的电动势如图3所示,当运动磁体在圆柱筒内沿轴向运动时,永磁体产生的磁力线与线圈位置发生相对位移,即线圈切割磁力线,因此,当永磁体周期性运动时,线圈上将感应出周期性变化的感生电动势。
   磁力线在线圈中分布不均匀,那么每匝线圈中的磁通变化量ΔΦ的大小不同,每匝线圈的感生电动势也不一样,N匝线圈产生的电动势是每匝线圈产生电动势的累加。
   进一步分析图2可以看出,在永磁体的运动过程中,同一时刻多匝线圈之间的磁通变化量ΔΦ存在反向现象,因而产生的感应电动势会相互抵消。
   为了进一步阐明不同方向的绕组如何增强感应电动势,本文分析了运动永磁体运动到某一位置时磁场的分布情况。
   例如,假定运动永磁体向右运动,线圈与磁场的相对运动速度为v,当运动永磁体运动到绕组1与绕组2的中间位置时,磁力线分布与感生电动势的方向如图4所示。
   根据法拉第电磁感应定律,处于圆柱筒左侧线圈(绕组1)的感生电动势与右侧线圈(绕组2)的感生电动势的方向相反,因而当相邻线圈绕向相反时,两部分线圈感生电动势是增强关系,如果相邻线圈绕向相同(或者仅仅采用一组线圈),则感生电动势具有相互抵消的作用。
   三、定量测量
   上述实验仅仅通过观察LED的亮度来间接反映感生电动势的大小,为了进一步研究线圈缠绕方向对感生电动势的影响,我制作了实验样机,如图5所示。
   装置中的线圈导线选用美制线规AWG35,永磁体选用钕铁硼材料,剩磁为1.276T。每一绕组都相互独立,并在绕组两端引出导线,可方便改变绕组的方向,绕组1、3方向固定,只需改变绕组2的方向,即可实现三组线圈同向缠绕与相邻线圈反向缠绕的对比实验。
  
   在对比实验中,为保证振动频率及振幅相同,采用激振器(型号HEV-50,最大振幅±5mm),并使用示波器观察产生的感应电动势。实验中,振动频率为6.5Hz,振幅为5mm。
   测试结果如图6所示,由于激振器上下周期性振动,图1中所示的运动永磁体也上下周期性振动,因而线圈中的磁通密度也呈现周期性变化,线圈上感应出周期性变化的感生电动势。
   相邻线圈同向缠绕,测试结果如图6(a)所示。实验装置输出端开路电压最大值332mV,最小值-294mV,有效值193mV。
   相邻线圈反向缠绕,测试结果如图6(b)所示。实验装置输出端开路电压最大值1.03V,最小值-1.09V,有效值693mV。
   实验结果表明,相邻绕组反向缠绕的线圈结构能有效克服感应电动势反向的问题。作者:杨明远 来源:发明与创新·中学生
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