“电磁炮”模型在楞次定律教学中的应用

姜舟

摘 要：介绍了感应式线圈炮模型的构造及制作方法，并且在教学实践中进行了运用，收到了良好效果。

关键词：楞次定律；电磁炮模型；物理教学；感应式线圈炮

“楞次定律”是人教版《物理》选修3-2第四章“电磁感应”第三节的内容，它是电磁感应的基本规律之一，为我们判定感应电流的方向提供了理论依据。楞次定律表述中感应电流的方向与产生感应电流的原因之间的关系，对于学生来说非常抽象。虽然教材中用框图的形式总结给出了判定感应电流的方向的四步操作方法，学生理解起来依然存在较大困难。

在实际教学中，教师常常利用演示实验或者学生自主探究实验的方式，帮助学生学习本节知识。例如，让条形磁铁进入或者离开接有灵敏电流计的闭合线圈，分析线圈中感应电流的变化；把闭合和断开的铝环架在转轴上，用条形磁铁分别靠近或者远离，观察所发生的现象。以上传统实验都能不同程度地验证楞次定律，但笔者经过多次实践，觉得上述实验现象还不很明显，因此，笔者根据电磁炮原理制作了一种能很好地验证楞次定律的模型，经过使用，学生十分感兴趣，效果良好。

电磁炮又称脉冲能量电磁炮，是一种先进的动能武器，与传统的以火药为动力的大炮相比，具有初速大、射程远、成本低等优势。电磁炮可分为轨道电磁炮、线圈电磁炮和磁力线重接炮三种，其中线圈电磁炮又分为磁阻式线圈炮和感应式线圈炮。其中感应式线圈炮是给线圈通过强大电流，引起线圈中磁通量的突变，使抛体中产生感应电流以及磁场，这个磁场和原磁场相互作用从而驱动抛体前进。感应式线圈炮运用了楞次定律，所以笔者简单谈一谈应线式线圈炮模型的制作过程及工作原理。

感应式线圈炮模型主要由充电回路、控制开关、发射线圈和抛体等部分组成。充电回路用来给储能电容充电，而给充电回路供电可以用220 V市电或者蓄电池。市电是交流电，不能用来直接给电容充电，需要经过升压、整流的过程。采用220 V市电的优点是充电速度快，插上插座即可使用。但这种方法的缺点也很明显：有致命危险！本模型采用普通干电池串联供电，电池电压较低，所以需要升压后再给电容充电。电容是储存电能的设备，它可以提供瞬间的强大电流。本模型基于使用场景及Maxwell软件的模拟，选用耐压450 V，容量为2200 uf的电容。

接下来介绍发射回路，发射回路的核心是发射线圈，它是线圈电磁炮模型的主要部件，用来产生磁场给抛体提供推力。线圈缠绕的形状、匝数对是否能够成功发射抛体起到了决定性的影响。根据Maxwell软件的模拟结果，线圈在较大的扁平比的情况下可以得到较好的发射效果。所以本模型采用直径30 mm，厚6 mm的多层线圈，使用直径1 mm的漆包线紧密绕制。发射抛体瞬间会产生极大的电磁力，有可能导致线圈撕裂，因此绕完线圈后需要用502胶水或者热熔胶固定线圈并且填充漆包线之间的缝隙。

抛体的受力以及发射速度与材料的电导率以及密度有很大联系。比较铜、铝、锌三种金属材料，其中铝的密度远小于铜和锌，而电导率相差不大，因此，铝获得的加速度要远大于其他两种金属材料。另外，抛体的感应电流主要集中在抛体的后部，适当减少抛体的长度，几乎不影响电流通路，但却大大减少了抛体的质量，也能提高抛体的加速度。因此，选用电导率较高而密度小的铝作为抛体的材料，加工成直径30 mm、厚4 mm的圆盘形，这样可以提高抛体的发射速度。

发射开关的选择也很重要。一般的轻触式开关无法承受上千安培这个数量级的电流，而可控硅面对这么大的电流也难以胜任，非常容易烧坏。因此，空气开关成了比较理想的选择。较好的空气开关可以承受4500 A、0.1 S，比可控硅性能要好很多，成本也比较低。

实验时，接通充电开关，6V直流电经三极管产生振荡电流，经电感线圈升压、二极管整流后输出高压直流电给电容充电。待电容充电结束后，断开充电开关，接着闭合空气开关，发射线圈中就会有瞬时的大电流流过，产生很强的磁场。与此同时，放置于线圈上的铝质抛体中会产生感应电流，从而产生与发射线圈中的磁场相反的磁场。这两个相反的磁场间就会产生很强大的电磁力，可以把抛体“啪”地一声发射很远。经笔者多次试验，观察到本装置可以将抛体发射至十几米高。如果要更好地验证楞次定律，还可以在发射线圈上加装断电装置，

使其电流突然消失，那么发射线圈可以从较远处将抛体吸引过来，这是因为抛体感应产生了与发射线圈中方向相同的磁场。本装置实验现象明显，电路简单明了，便于学生观察理解。在学习“楞次定律”这一节时，笔者在课堂上展示并且让学生操作本模型，学生对此兴趣强烈，从而能更好地帮助学习楞次定律，收到了良好效果。

参考文献：

[1]崔鹏.新型电磁发射技术的研究[D].国防科学技术大学，2005.

[2]李如年，王敬，王海.新概念动能武器电磁炮[J].中国电子科学研究院学报，2011.

编辑 李建军