电磁驱动及电磁阻尼演示仪的制作

胡思航 胡尊山

摘 要：采用闭合、非闭合铝框、塑料框和铝塑混合框等不同的线框，制作一款结构简单、轻巧、可视度大的演示器材。这款器材既能直观地演示电磁驱动、电磁阻尼，又能展示涡流现象。通过对比实验，开口铝框在钕铁硼强磁体产生的强磁场中也能转动起来，能让学生更深刻地认识电磁感应现象。从而进一步加深对法拉第电磁感应定律和楞次定律的理解。

关键词：电磁驱动；电磁阻尼；涡流；闭合铝框；非闭合铝框

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）3-0050-3

1 问题的提出

目前，中学物理老师在给学生演示电磁驱动的时候一般都会采用课本中图示的仪器（图1），实验可视度小且功能比较单一。若用交流感应电动机，结构太复杂，高中学生又不易弄清原理。

由此，笔者决定制作一款结构简单、轻巧、可视度大且更直观的电磁驱动、阻尼装置。通过反复制作、实验、修改、研讨，最终制作完成了外形相近的金属铝框、非金属塑料框和一边框开口的铝框及两对边分别是铝与塑料相结合的框等整套装置。这套装置可以通过实验对比，让我们更深刻地认识电磁驱动、电磁阻尼、涡流等现象的产生条件：闭合回路中的磁通量发生变化。从而进一步加深对法拉第电磁感应定律和楞次定律的理解。

2 仪器制作

2.1 所需材料及制作工具

2.1.1 材料

釹铁硼强磁体、方管型铝材、透明有机玻璃、铁皮、条形木板及木条、304不锈钢条、凹凸塑料垫圈、钢筋、螺丝钉、木螺丝钉等。

2.1.2 工具

台钳、钢锯、木工锯、刨刀、锤、钳子、螺丝刀、手电钻、角尺、铅笔、丝锥板牙等。

2.2 制作过程

2.2.1 底座制作

用木工锯、刨刀等工具把木板制成底座（480*115*30），在底座的一端安装带转轴的木条，木条可以转到竖直位置（图2）；用台钳、钢锯、锤子、钢丝钳、手电钻等工具把铁皮制成摇把固定支架并用木螺丝钉固定在木条上不带转轴的一端；把铝框做成的支架固定在有转轴端的木条底座上，在顶端打孔，304不锈钢钢条穿过小孔并固定在支架上。

2.2.2 摇把及U型框制作

用台钳、钢锯、锤子、钢丝钳、手电钻、丝锥板牙、螺母等工具把铁皮、钢筋制成一个比铝框稍大的U型框和摇把，用螺母将U型框与摇把固定连接，安装在支架上，将强磁铁安装在U型框上，转动摇把能形成旋转磁场。

2.2.3 框的制作

在方形铝材上锯下两个铝框（100*100*10）。在其中一个铝框的一边切开一缝隙，做出两种分别是闭合和非闭合铝框（如果缝隙过大，可在缝隙处加一配重）；用塑料做一个同样大小的框；用塑料与铝片组合，对边分别为塑料与铝，做一个同样大小的铝塑搭配的框。把各种框分别从中间位置打孔，在铝框上的打孔处套上凹凸塑料垫圈（绝缘），用304不锈钢条穿过孔，让框子可以自由转动。

3 创新之处

（1）使用大尺寸框，增加可视性，效果很好。

（2）使用一边有缝的非闭合铝框，在旋转的强磁场中也转动起来，打破了我们的认识。

（3）使用铝片与塑料片组合的框，演示转轴在不同材料上的不同效果，进一步认识涡流现象。

（4）使用有“磁王”之称的钕铁硼磁性材料制成的强磁体，它的磁性较铁钴镍磁铁强很多倍，增强了实验演示的效果。

（5）本器材使用安全、方便，能用多种类型框分别演示电磁驱动、电磁阻尼，探究涡流现象。

4 教具使用方法和效果试验

4.1 电磁驱动

转动摇把使U型框形成变化的磁场。处于其中的闭合铝框也随着转动起来，即为电磁驱动；将上述铝框换为塑料框，旋转磁铁，观察到塑料框没有转动；这说明非金属材料在磁场中不能产生感生电流，无法形成电磁驱动。

4.2 电磁阻尼

分别在磁场内、外转动闭合的铝框及塑料框。观察铝框与塑料框的旋转情况，可以发现：在磁场内旋转的闭合铝框很快停下来，而磁场外旋转的铝框要经较长时间才能停下；塑料框的旋转没有受到磁场的影响。说明运动的铝框在磁场中受到磁场的阻尼作用，塑料框没有受磁场的阻尼作用。

4.3 涡流

用有缝的铝框做同样的实验。在摇动摇把时，发现有缝的铝框也跟着转动起来；让铝框转动，在静止的磁场中也很快停止下来，铝框也受到阻尼作用，这表明有缝铝框中也有电流产生。

换用铝塑搭配组成的框，转轴在塑料边时，铝片切割磁场的面比较大，转动效果与前面的铝框一样；转轴在铝边上时，是塑料面切割磁场，几乎不转动。

这两种情况导体不闭合，只能是铝片中产生的涡流引起的驱动与阻尼。与课本中的解释正好相反。

在教材的习题中问道：用磁极分别靠近或远离闭合的A环和断开的B环，会产生什么现象（如图3）。磁极靠近或远离A环时，A环的磁通量发生变化，会产生电流，A环会动。磁极靠近或远离B环时，B环不会动。

好多人会认为，磁极靠近或远离B环时，虽然B环的磁通量发生了变化，但B环是断开的，没有电流产生，B环不会动。实验现象和理论分析正好吻合。偶尔会发现B环有点小动，也会认为是手带动的气流引起的转动，而没有更深入地分析。

我们把带有缝隙的铝框作为转子放入U型框内，在摇动U型框时，发现铝框还是发生了非常明显的转动。这个实验现象让我们产生了疑问，要产生感应电流必须要有闭合回路，现在用带有缝隙的铝框做实验，不该有感应电流，因而铝框不会发生转动，但实验结果是铝框发生了转动，极大地激发了我们的探究欲望。

通过分析，虽然铝框边开口，但由于铝框边有一定的宽度和厚度，在铝边框处局部构成无数个闭合回路，在旋转的强磁场中产生涡流，所以有缝的金属铝框也转动起来。这使我们进一步认识到感应电流产生的条件：闭合回路中的磁通量发生变化。任何导体放在变化的磁场中，导体中都会产生感应电流，断开的铝框能转动，也是产生了感应电流——涡流的原因。那么，课本中的磁极靠近或远离断开的环时，为什么看不到环的转动。经对比分析，原因有二：一是磁体磁性较弱；二是导体的厚度、宽度较小。磁性弱，磁通量变化慢，导体厚度小，电阻大，产生的涡流小，在磁场中受到的安培力就小，不易带动环的转动。

这样也就可以更准确地解释课本中的习题，小圆柱在没有裂缝的铝管中下落变慢了，在有裂缝的铝管中下落变快了。这个快是相对于在无缝铝管中的下落，相对于自由落体运动还是慢。因为有缝铝管中也有电磁感应现象——涡流的产生。

参考文献：

[1]张大昌.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-2[M].北京：人民教育出版社，2010.