新型滑动变压器演示仪

郝占朋 唐齐林 张智奇

(东北师范大学物理学院,吉林长春 130024)

1 引言

变压器是生产生活中重要的电器设备,普通变压器依据电磁感应原理由原、副线圈及铁芯组成,为减少漏磁,铁芯是闭合的,通过改变原副线圈的匝数比来实现电压的改变.当使原副线圈匝数不变,而改变原副线圈磁头间的距离d时同样可以实现电压的改变,据此制成新型滑动变压器.此仪器用于中学教学,能很好的演示电磁感应原理,即磁通量的改变产生感应电动势;演示漏磁现象对电压传输影响较大的实质,从侧面说明普通变压器防止漏磁的必要性;此滑动变压器通过改变磁芯间距改变电压,打破传统思维局限,有利益引导学生发挥想象、扩展学生视野、加深对电磁感应现象的深入理解.本文介绍了此种滑动变压器的制作和演示方法.

2 演示仪实验原理

即

又k与电流、介质材料等有关,与两线圈的相对位置有关,因此,k与铁芯间距离d有关系,所以当材料、电流、介质不变时,改变铁芯间距离d可以实现电压的变化,从而电压是间距 d的函数,如图1,有

A为比例系数.

图1

(2)铁芯大小固定,线圈匝数及大小固定,则总线圈面积S不变,铁芯间距不同则电磁场磁感应强度B不同,改变两线圈间距即可改变磁感应强度,从而改变磁通量 Φ,产生感应电动势E.

3 演示仪的材料与制作

(1)取两根直径为1 cm、长为20 cm的铁棒,分别从距两端5 cm处折弯成直角,作为一对分开的铁芯;

(2)用稍细的长漆包线紧密绕3层于铁芯中段,用胶水粘紧以免松散开,两端留有接线头;

(3)制作有机玻璃盒,用刻刀或钢锯截取两块长25 cm、宽12.5 cm的透明有机玻璃板作为盒的底板和盒盖,再截取两条长25 cm、宽 2 cm,一条长 12.5 cm、宽2 cm的长条做盒的侧面;

图2

(4)用氯仿将以上材料粘成无盖玻璃盒,同时使一铁芯固定于盒底左端,粘两把塑料刻度尺于盒底两侧,零刻度从铁芯磁头开始(如图2);

(5)使铁芯磁头两两相对放置,另一移动铁芯,拉杆由废弃条块制成;

(6)粘紧盒盖,并使接线头伸出盒外,接上学生用交流电源和交流毫伏表,拉动拉杆即可进行实验演示.

4 操作演示与部分实验结果

(1)按以上装置简图连接各仪器;(2)推动拉杆使两铁芯紧密接触;(3)打开学生用交流电源开关,观察到交流毫伏表指针偏转一较大角度;

(4)向外拉动拉杆可看到毫伏表示数减小,每移动1 cm读一个电压示数;

(5)往返拉动铁芯观察毫伏表示数,可观察到电压U1与间距d成反比趋势.

表1为本演示仪实验测量的数据.

表1

表1中数据说明:改变铁芯间距 d实现了电压的改变,U2随d的增加而减小,且减小速度很快,U1的单位是V,而 U2的单位是mV,表明漏磁对磁路的影响较大,漏磁主要是由空气间隙引起.

5 结束语

本实验根据电磁感应原理改变磁头间距 d实现电压U的改变制成一小型滑动变压器.此设备近几年刚被应用于码头货物运输、采矿、天然气、石油开采等行业中,具有安全可靠、高效灵活的特性,开创了电能传输的新方法.例如滑动变压器式自动化码头非接触感应电能传输系统的核心部件,可以实现高速货物运输小车的安全供电等.此演示仪应用于教学中能针对空隙磁阻、磁路、互感现象、特别是对传输的影响等电磁学现象进行直观的演示,从而激发学习兴趣,引导和帮助学生更好的理解和应用电磁学知识.

1 贾玉润,王公冶,凌佩玲.大学物理实验.上海:复旦大学出版社,1987.267-269

2 赵凯华,陈熙谋.电磁学.北京:高等教育出版社,1985.

3 正田英介.电磁学.北京:科学出版社,2001.107-124,138-143