新型楞次跳环实验装置的制作

(江苏省丹阳高级中学,江苏 丹阳 212300)

1 引言

跳环实验是关于电磁感应现象的著名演示实验,在圆柱形铁心上绕一个多匝线圈,将一轻质铝环套在铁棒上,当线圈接通电源时,铝环便向上跳起,故称“跳环”实验。该实验能以一种强烈的视觉冲击来演绎电磁感应定律和楞次定律,具有非常好的教学功能。笔者用两种不同方案对此进行了制作和实验,效果较好。

2 制作方案

2.1 低压电源版

电路如图1所示,制作要用到的电子元件有:

(1) 18650锂离子电池。其电动势为4.2V,3节串联可得到12.6V的电压。

(2) ZVS升压集成板。它有4个接线柱,其中两个输入接线柱接锂离子电池组的输出端；另外两个接线柱能输出450V的直流高压。

(3) 标称为“500V,1000uF”的电解电容。升压集成块的输出端可直接与电容两极相连,对其进行充电,注意正负极不能接反。

(4) 70TPFS16晶闸管。“70”指它能通过70A的电流,“16”指它能承受1600V的高压。晶闸管相当于一个无触点开关,它有K、A、G三个引脚，当GK脚之间不通电时,AK处于断开状态,当GK之间通过150mA左右的触发电流时,AK处于导通状态,能通过高达70A的超大电流,所以它实际就是一个用小电流控制大电流的无触点开关,用于控制充电后的电容器对线圈进行大电流放电,原因是一般的触点式开关无法承受较强的冲击电流,易烧毁。

(5) 线圈。在内径为8mm的PVC管上用直径0.8mm的漆包线绕6层,每层30匝,共计180匝。

(6) FR607续流二极管。由于电容器放电时线圈中电流急剧增大又急剧减小,如果没有该二极管的续流作用,会在线圈两端形成极高的自感电动势,造成其他电子元件的损坏。

(7) 触发开关两个。该开关为非自锁型,按下接通,不按断开。一个用于控制充电,一个用于控制放电。

(8) 数字电压表。用于监测电容器两端电压变化情况。

图1

图2

优点：成本低,功耗小,体积小便携,低压安全。

2.2 高压电源版

高压电源版跳环实验装置如图3所示，电路原理如图4所示，220V交流电通过四个二极管组成的桥式整流电路得到峰值为311V的直流电。电容器仍用“500V,1000uF”的电解电容，为了获得更好的效果，可用多个电容并联使用。当双刀双掷开关与左侧两端点连通时,电容器充电1-2s,再与右侧两端点连接时,电容器对线圈放电,铝环跳起的基本原理与方案1相同,不再累述。

图3

图4

特点：制作原理看似简单,但由于利用高电压、大电流充放电,对实际操作能力要求严格,对元器件的要求也较高，应当注意安全。

本实验可用微信扫描图5所示的二维码直接观看。

图5

3 结语

楞次定律是高中物理电磁学部分的一个重点教学内容,本文介绍了物理实验“楞次跳环”的创新制作方案,通过观察实验现象，并对其科学原理进行剖析,能够帮助学生更好更快地理解和掌握该定律，也能够帮助教师更好地进行相关实验教学。