新型电磁感应现象综合演示平台

王立刚

（山东理工大学物理与光电工程学院，山东淄博，255000）

1 研究背景及意义

电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系和转化，对其本质的深入研究所揭示的电、磁场之间的联系对麦克斯韦电磁场理论的建立具有重大意义。电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用。

电磁感应现象是电磁场理论中非常重要又比较抽象的核心内容，也是电类工程技术人员在工程实际中经常遇到的现象。在中学生以及本科生相关课程中开设“电磁感应现象综合演示实验”，可以形象、生动地再现这一现象，使学生了解电磁感应现象及其在工程实际中的应用，从而把基础理论知识和工程实际问题联系起来。开设这一实验还能引导学生从观测的现象中思考和发现问题，进一步做到分析和解决问题，从而把知识教育和能力培养结合起来。

电磁感应现象演示器是一种物理教学演示仪器。为了形象、直观地再现电磁感应现象，人们基于不同理念设计了很多种演示仪器。在物理教学中，为了直观形象地说明自感、互感等现象，通常采用电感线圈和白炽灯泡来演示实验。这种演示电路的缺点是灯泡由暗变亮或由亮变暗的过渡时间太短且灯泡容易损坏；如果感应电流太小，电磁感应现象较难观测到。本文介绍的“电磁感应现象综合演示平台”，采用放大器和发光二极管的发光来演示电磁感应、互感等现象，实验效果较好。本平台已获国家实用新型专利，专利号：ZL.201921218659.9。

2 法拉第电磁感应定律的演示

在中学物理选修教材3-2 中讲述“法拉第电磁感应定律”是这样定义的：如果时刻t1穿过闭合电路的磁通量是Φ1，时刻t2穿过闭合电路的磁通量Φ2，则在时间Δt=t2−t1，磁通量的变化量为ΔΦ=Φ2−Φ1，磁通量的变化率就是用E 表示闭合电路中的感应电动势，那么法拉第电磁感应定律就可以表示为E=。闭合电路常常是一个匝数为N的线圈串联，因此整个线圈中的感应电动势是单匝线圈的N倍，即E=

■2.1 传统演示

将条形磁铁迅速插入或拔出线圈，用检流计或微安表检测感应电流时。或用毫伏表测量感应电动势，观察表针的摆动。优点是形象直观，缺点是将永磁棒从线圈中迅速插拔时，微安表指针容易打弯，并且只能近距离观察。

图1 传统演示仪器

■2.2 利用发光二极管演示

现用反并联相接的两个发光二极管作为感应电动势的负载（见图2 原理电路），则发光二极管的两端不论哪一端的电位高，总有一个处于正向，另一个处于反向。发光二极管，只有在加上正向电压时才会发光。因此，条形永磁铁插人线圈时使一个发光二极管发光，拔出时会使另一个发光。这个方法原理正确，但实际感应电动势（几～几百mV）、感应电流（几十～几百µA）都较小不足以使发光二极管发光（导通电压约为2V，导通电流几～十几mA）。故这个电路实际不能应用。

图2 原理电路图

■2.3 利用放大技术与发光二极管演示

本设计的演示是将条形磁铁插入或拔出线圈时，线圈两端的感应电动势（电压）视为一对极性相反的信号作为放大电路的输入信号，经放大后驱动发光二极管发光。即发光二极管亮表明放大器有信号输入，即条形磁铁插入或拔出线圈时在线圈两端产生了感应电动势。系统组成框图如图3 所示。

图3 系统组成框图

该电路的设计原理：保证条形磁铁插入或拔出线圈时仅有一个发光二极管亮，不得同时亮，且工作要稳定可靠。故需要两个互补放大器分别驱动两只发光二极管，由于两个电路输入都接实验线圈两端故加的是同一个感应电动势作为输入电压。故条形磁铁插入或拔出时两放大管T1、T2的工作状态相反（一个导通，另一个截止）才行。故放大管分别采用NPN 管（9013）、PNP 管（8550），VCC采用3V 电源供电（两节普通电池串联即可）。电路如图4 所示。

图4 演示应用电路图

静态时，T1、T2均截止，两个LED 均不亮，将条形磁铁迅速插入或拔出线圈，面板上的发光二极管就随之闪亮，观察哪个灯先亮，哪个后亮。若灯亮时间太短，可增大耦合电容C1、C2的容量，本测试选用容量100μF 的电解电容器。

3 互感现象的演示

互感原理：由两个邻近的线圈构成的耦合电感线圈，当线圈I 通以电流i1时，产生的磁通为Φ11，由于线圈II 邻近线圈I，因此磁通Φ11的一部分或全部将与线圈II 交链，根据法拉第电磁感应定律，在线圈II 中产生的互感电动势为，其中M 为互感系数。

方法1：用电源变压器接通市电，将电感线圈（可用日光灯的镇流器的线圈）直接置于变压器的铁心上，此时电源变压器初级线圈产生的磁通将穿过电感线圈并在线圈两端产生互感电动势（较弱），经放大后驱动LED 发光。放大器及LED 显示采用上面的电路即可，系统组成框图见图5。演示电路如图6 所示，Tr1为电源变压器，L1为电感线圈。

图5 互感现象系统组成框图

图6 互感现象演示电路图

方法2：将变压器线圈接通市电，将电感镇流器的矽钢片柱竖起，则在矽钢片中激发出交变磁场，把另一个线圈（上面演示所用线圈即可）套在矽钢片上，根据法拉第电磁感应定律，则在该线圈两端产生互感电动势（较弱），经放大后驱动LED 发光。系统实物图见图7。

图7 系统实物图

4 结语

采用传统演示与现代电子技术的结合，借助放大电路及发光二极管的发光来直观演示电磁感应现象；互感现象的演示巧妙地利用电源变压器以及日光灯的镇流器（可单独利用其线圈，也可单独利用其铁心（矽钢片柱））。具有原创性，且整体操作起来简单方便，实验现象明显，实验结果也比较可靠。避免用传统的检流计或微安表检测电流时指针容易打弯的缺点。对感应电动势进行放大处理时，既要考虑静态LED 不亮又要兼顾导通只有一只LED 亮且稳定可靠，给电路设计调试带来一定麻烦，该平台设计思路清晰，制作成本低（电路板仅几元），性价比高，实际工作可靠。利用该实验装置进行实验探究，可以增强学生的动手操作能力，培养学生的科学探究能力，也能让学生在简单的操作中思考实验仪器的设计理念，感受创新思想，进而有效地激发学生的科学思维，渗透学生的科学态度与责任意识。该平台可应用于中学物理和大学物理的电磁感应现象的课堂演示。