法拉第圆盘发电机的制作

吴泉玉

高二课本广东版选修3-2的第一章第五节是电磁感应规律的应用，电磁感应规律的应用的最重要应用是制造发电机，法拉第圆盘发电机是人类历史上的第一台发电机，它把人类带入电气时代，是发电机的鼻祖.目前，即使功率为100万千瓦的特大发电机，也是根据法拉第圆盘发电机的基本原理──电磁感应制成的.这个实验的成功给学生学习电磁学带来振憾，对教师的教学和学生理解和掌握电磁感应规律的应用原理很有帮助.

原理法拉第圆盘发电机如图1（课本P19 图1-5-2），圆盘分成无数根长度等于半径的铜辐条，在转动圆盘时，经过U形磁铁的磁场的辐条就会做切割磁力线运动，发生电磁感应，产生电动势，辐条与电流表连接成闭合电路，电路中就有电流，实现利用电磁感应发电.

改进的思路刚开始我简单地按课本的彩图和法拉第圆盘发电机的介绍，取直径21 cm铜盘，用一个转动手柄带动圆盘在教学U085大磁铁的磁场中转动，试用各种量程的电流表，最后只是在用灵敏电流计时指针微偏转，演示实验结果是学生很难观察到实验效果，很明显原因是产生的电流太小.根据E=112BL2ω、I=E1R.L增大就是增大圆盘在磁场中的有效辐条长度，较难实现，意义不大；那么就依靠通过增大B、ω的方法来实现电流的增大.

制作材料黄铜板、有机玻璃板、木板、试管胶塞、导线、各种规格的螺丝若干、角铝、铜管、转动皮带轮轴.

制作过程

（1）转盘（图2）：取材用厚0.6 mm铜板，裁剪出直径21 cm的铜圆盘；另用厚3 mm的有机玻璃板，裁剪出直径18.5 cm的圆盘.用万能胶将有机玻璃圆盘粘合在铜盘的中心对齐，留出边缘的1.5 cm的铜圆环，中心钻一个0.5 cm孔让0.5 cm的螺丝穿过，用螺母把转盘与螺丝固定好.

（2）电刷（图3）：用粗导线的铜丝做电刷，先做两个能固定导线位置并能调节伸出长度的固定套管，4×2 cm的铜板，中间用大功率的电铬铁焊接上一个4 cm长的铜管，铜管上钻两个孔，并铰上螺纹让螺丝能旋进，导线从铜管穿进，穿出导线的一端剥出3 cm长的铜丝团成个铜丝饼，调好伸出长度后，可用这两个螺丝固定.两个固定套管各用4个螺丝钉固定在一个21×4 cm长木板上，相距10.5 cm，做成两个电刷.

（3）磁场：锯出一块9×6×1.3 cm的木板，中间钻出直径4 cm的圆孔，套入直径4 cm高6.7 cm的塑料管，把U形磁铁的底部扣在管上，保证它的稳定.

（4）教具的整体组装：如图4、图5，底板40×24 cm的木板，用试管胶塞做四个脚；先装皮带轮轴，将转盘装到转轴上；电刷的木板用角铝固定在底板，调节导线的铜丝饼一个在铜盘的边缘夹紧上、下面和边缘，另一个电刷顶在转轴的中心； U形磁铁的底部扣在管上，管的高度取于把铜盘尽可多地套入U形磁铁的U形磁场内，整个教具的组装完毕.

教具的使用情况如图6，把教具的两根导线的另一端与微安表的正、负接线柱相接就可演示法拉第圆盘发电机发电原理，实验时转动皮带轮使铜盘飞快转动，经过U形磁铁的铜盘辐条做切割磁力线运动，产生感生电动势，经过闭合电路的电流使灵敏电流计的指针达到接近满偏.U形磁铁的磁场方向和转动轮的转速和方向可改变，对实验探究电磁感应的大小和方向与什么因素有关带来方便和可能.

从实验效果可见，本教具可见度大、操作简单、结构简单并清晰，实验效果形象、直观、科学、明显，吸引学生，激发学生的兴趣.

教具的创新点或改进点

（1）磁场：用U-80型对磁极式蹄形强磁铁代替教学U085大磁铁，磁场的磁通量是0.8 T左右.磁铁的固定靠U形磁铁的底部扣在管上，需改变方向时，只要拿出转个方向就可以，这样给磁场的方向与电磁感应的方向的探究带来方便.

（2）圆盘转速快：不用一个转动手柄直接带动圆盘，用一个大轮通过皮带带动圆盘中心轮轴上的小轮转动，转速大大提高.

（3）铜盘：铜盘的铜片厚0.6 mm、直径21 cm，自身弹力较大，受力变形后，很难使它恢复回在同一个水平面，转动时电刷与它接触就不能稳定，产生的电流时有时没.解决的方法是用一个厚3 mm、直径18.5 cm的有机玻璃板粘在铜盘的中心，使铜盘保持在同一水平面，以留有边缘的1.3 cm的铜环与电刷接触.使电刷与铜盘转动时的摩擦接触稳定.

（4）电刷：用粗导线的铜丝做电刷，取3 cm长的铜丝团成个铜丝饼，一个电刷在铜盘的边缘夹紧上、下面和边缘，另一个电刷顶在转轴的中心，这样的电刷比铜片电刷与铜盘的摩擦接触面大、稳定，产生電流大、持续.