法拉第电磁转动实验装置的改进

施国富

（信丰中学，江西信丰341600）

1 引 言

法拉第是杰出的物理学家和化学家.他在担任戴维的实验助手期间，设计了著名的“电磁转动实验”，而文献[1]中只向教师们展示了1幅原理图，真实的实验装置尚不可知，即便能复制真实的法拉第电磁转动实验装置，考虑到水银的易挥发性和毒性，也不能把它搬进课堂.为此对该实验装置进行了改进，设计了转动轻便、通电可靠的转子，用铜板制作的铜圆盘代替水银，用3节干电池作电源，实现了“电磁转动实验”——即单根通电导线在磁场中转动.

2 电磁转动装置的制作

改进的法拉第电磁转动实验装置见图1.所用材料为：废旧的实验室暗敷塑料槽板1块（长18cm，用于制作底座），PVC塑料管1根（长13cm，直径25mm），单层敷铜板1块；正方形钕铁硼强磁铁1块（5cm×5cm×1cm，中间有一直径1cm的小孔），粗铜导线1根（长15cm左右，直径2mm）；漆包线两段（长25cm，直径0.3mm），大号电池盒3只1.5V，电解电容器2只（25V，3 300μF），导线、薄铁片若干.

具体的制作方法如下：

图1 改进的电磁转动装置

1）支撑与连接座的制作.在塑料槽板的中心位置用打孔器钻1个直径25mm的圆孔，距中心约4cm的两侧各钻直径4mm的螺丝孔并装上接线柱.将加工好的PVC水管穿过中心圆孔，竖直放置并用胶水粘牢.剪下1块6cm×6cm的正方形敷铜板，中心钻1个直径22mm的圆孔，把1根漆包线一端与铜板焊好，铜板的背面粘贴2片小铁片，正面粘贴1个内空为5cm×5cm的塑料框，框的边宽约5mm.把加工好的铜板用胶水粘接在PVC管的上端，使其水平，漆包线从管中穿过在管底引出，接在底座的接线柱上.

2）中心导电杆的制作.取10cm长的粗铜导线，一端打磨成尖尖的圆头，另一端与1根漆包线焊接，取1个4号胶塞，中心钻孔，铜导线穿过胶塞，圆头伸出约5cm长.

3）铜圆盘的制作.在敷铜板上裁取1个直径12cm的圆盘，用砂轮把盘边缘打磨好，中心钻1个直径4mm的孔，距中心2cm处再钻1个焊接孔.盘的正面粘接内径1cm外径3cm的铁片环，用铜丝制作1个直径3cm的环，留出线头，把铜环粘接在铜盘的背面，线头穿过焊接孔并焊牢.

4）转子的制作.剪一段长5cm的空水笔芯，距一端2cm处钻1个孔，把长12cm的粗铜导线穿过孔，使笔芯位于导线的中心并与导线垂直，之后把两导线弯折成与笔芯平行，距孔2cm处再把导线折90°，制成能以笔芯为轴转动的直导线.用漆包线绕制一螺旋环，螺旋环的上端焊接在铜导线一侧、距中心4cm处，下端刮掉漆.

5）充放电导线的制作.把2只电容器并接焊好，同时正极焊出2根带鳄鱼夹的红导线，负极焊出2根带鳄鱼夹的黄导线，一红一黄为1组，一组接电源，另一组接在装置底座的接线柱上.电容器用一段塑料注射器筒封装.

6）组装.把中心导电杆从支撑与连接座的塑料管中插入，压紧，漆包线从管底引出，接在底座的接线柱上.在底座铜板面上，依次放上钕铁硼磁铁、铜圆盘，中心导电杆均位于它们的正中心.最后把转子的笔芯套在中心导电杆上.这样，底座上的一个接线柱通过中心导电杆连接到转子，另一个接线柱通过底座铜板、磁铁、铜环连接到铜圆盘上，当螺旋环的下端与铜圆盘面接触时，电流接通.组装连接好的实物见图2.

图2 电磁转动装置全图

3 演示方法

3.1 演示法拉第的电磁转动实验

用充放电导线的一组接上装有3节干电池的电源，红导线接电源正极，黄导线接负极.另一组的2根导线接到装置底座上，2根导线可分别接任意接线柱.此时可观察到转子在圆铜盘上转动.为让学生看得更清楚，演示时教师手持底座，将整个装置倾斜，铜盘朝向学生，倾斜角度可达45°，转子仍能持续转动.

3.2 演示或验证左手定则

1）磁铁N极朝上，让电流从中心导电杆流出，依据左手定则，判断转子的转动方向为顺时针方向.接通电源，观察实际的转动方向.

2）保持磁铁N极朝上，让电流从圆铜盘流向中心导电杆，依据左手定则，判断转子的转动方向为逆时针方向.接通电源，观察实际的转动方向.

3）保持电流从中心导电杆流出不变，磁铁S极朝上，依据左手定则，判断转子的转动方向为逆时针方向.接通电源，观察实际的转动方向.

1）与2）对比说明安培力的方向与导线中电流的方向有关，磁场方向相同时，电流方向相反，受力方向相反；1）与3）对比说明安培力的方向与磁场的方向有关，电流方向相同时，磁场方向相反，受力方向相反.

4 改进后的电磁转动实验装置的优点

1）避免了使用水银，安全环保.

2）转子的设计使转子与中心导电杆可靠接触，转动灵活，普通干电池便可使其转动.

3）充放电连接导线的制作，结合转子上螺旋环在通电时收缩、断电时复原形成时断时通的特点，实现交替充电、放电，可以获得比直接连接电池时更大的瞬时电流.

4）该装置设计合理、外形美观，便于携带，演示操作简单，可以方便地改变电流方向、磁场方向，用于演示或验证左手定则.

[1] 人民教育出版社物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书·物理（选修3－2）（教师教学用书）[M].北京：人民教育出版社，2010：47.

[2] 吴迪男，吴祥志.法拉第电磁感应定律数字化实验仪[J].物理实验，2009，29（10）：20－22.

[3] 张伟，蔡颖标.基于PASCO平台的法拉第磁光效应实验[J].物理实验，2011，31（7）：33－36.

[4] 徐忠岳.多功能向心力测量转台[J].物理实验，2011，31（7）：29－32，44.