專利名稱：自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種演示自感現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置，它屬于電磁學(xué)教學(xué)儀器。
關(guān)于自感演示實(shí)驗(yàn)儀器，國內(nèi)物理雜志介紹了一些有關(guān)自感演示實(shí)驗(yàn)裝置，《物理教師》1987年第12期介紹了一種“用示波器定量測試斷電自感電動(dòng)勢的大小”的實(shí)驗(yàn)裝置，《物理通報(bào)》1987年第10期介紹一種斷路自感現(xiàn)象的演示實(shí)驗(yàn)裝置。它們大多是演示單一自感現(xiàn)象，而沒有深入、系統(tǒng)、全面地解決自感現(xiàn)象及有關(guān)問題的演示。中國專利CN87207333.5介紹了一種多用自感演示實(shí)驗(yàn)儀，它是由電感線圈、電阻、電表、發(fā)光二極管，小燈泡、電源及開關(guān)組成，其整個(gè)裝置為一插接件，由于組件多，不便于固定在示教板上，且電路中采用的燈泡、大型演示電表能耗大，實(shí)驗(yàn)暫態(tài)過程持續(xù)時(shí)間短，不利于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。所以，在教學(xué)中沒有得到廣泛地應(yīng)用。
本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種新型的自感演示實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置可以演示通電、斷電自感現(xiàn)象。自感電動(dòng)勢及電流的方向，磁場變化情況，自感電動(dòng)勢與外接電阻的關(guān)系，不同磁化過程自感系數(shù)的變化規(guī)律，以滿足自感教學(xué)中演示實(shí)驗(yàn)的需要。
自感演示實(shí)驗(yàn)儀是由線圈，發(fā)光二極管。電阻和開關(guān)，通過組合的連接方式做成示教板的形式，圖中L是自感線圈。L′是副線圈，A1～A6為發(fā)光二極管，R1、R2為電阻，K1、K2、K4為單刀開關(guān)、K3為雙刀雙擲換向開關(guān)。E為直流電源。線圈鐵芯采用E型硅鋼片或U型硅鋼片疊合而成。自感線圈L繞制在中間，自感回路條件一般應(yīng)滿足。
這樣能保證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象暫態(tài)過程在0.1秒以上，以便實(shí)驗(yàn)者觀察，副線圈L′的匝數(shù)應(yīng)與發(fā)光二極管相匹配。保證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象較為明顯，一般情況下，自感線圈的匝數(shù)4000＜n＜8000，匝數(shù)太小，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯，太大則造成浪費(fèi)，副線圈的匝數(shù)保持在1500～3000就能滿足實(shí)驗(yàn)的需要，這時(shí)，漆包線的線徑為0.3～0.5mm。自感線圈分兩組抽頭，一組匝數(shù)少，另一組匝數(shù)較多。電阻R2＞＞R1，電源E選用10～15V的直流電源。
本實(shí)用新型具有如下結(jié)構(gòu)。A1、A2反向并聯(lián)后與L串聯(lián)組成一組電路，A3、A4反向并聯(lián)后與R1、R2串聯(lián)組成另一組電路。兩組電路并聯(lián)再與電源E組成閉合回路，K1是電源開關(guān)，K2位于R2的兩端，K3位于L的兩端，A5、A6反向并聯(lián)后接在L′的兩個(gè)抽頭上，K4用于控制L′、A5、A6組成的回路。為了突出演示某一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，整個(gè)裝置制成折疊式示教板，L′、K4、A5、A6位于示教板的折疊軸的上部。
附


圖1是本實(shí)用新型的電路示意圖下面詳細(xì)敘述本實(shí)用新型演示的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
一、通路、斷路自感現(xiàn)象將K2接通，K3向上接通，K4斷開。當(dāng)K1接通時(shí)，A3立即發(fā)亮，而A1緩慢發(fā)亮，經(jīng)過一短暫時(shí)間后才穩(wěn)定達(dá)到與A3相同的亮度。這一現(xiàn)象說明在線圈中產(chǎn)生了一個(gè)與電源電勢方相相反的自感電動(dòng)勢，阻礙電流的立即增大，同時(shí)還可知電流的方向是從左到右的，從A1逐漸發(fā)亮面A2不發(fā)亮可以定性地說明自感電動(dòng)勢不大于電源電動(dòng)勢。K1斷開時(shí)，A3立即熄滅，A4立即發(fā)亮，其亮度與A1同步變化，均由亮變暗，經(jīng)過一短暫時(shí)間后熄滅。這表明斷路后，線圈中產(chǎn)生了自感電動(dòng)勢，電流是沿A1、A4、R1、L、A1方向流動(dòng)的。
二、自感電動(dòng)勢大小與外電阻的關(guān)系斷開K2，接通K1，由于流過A3的電流太小，因此A3發(fā)出很微弱的光甚至不足以發(fā)光，但A1仍逐漸發(fā)亮(與K2接通的情形一樣)，這說明通路自感電動(dòng)勢與外接電阻R2無關(guān)。在電流穩(wěn)定后斷開K1，A4立即發(fā)亮(亮度明顯)并與A1同步迅速熄滅。由于流經(jīng)A4的電流一定要經(jīng)過R2，可見這時(shí)自感電動(dòng)勢遠(yuǎn)大于電源電動(dòng)勢。實(shí)際上，當(dāng)R2＞＞R1時(shí)，斷開電源后產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢與R2幾乎成正比例增大。如當(dāng)R2→∞時(shí)，即在R2處斷路，則自感電動(dòng)勢可增大到以至發(fā)生火花放電。
三、線圈鐵芯中磁場的變化情況為了直觀地顯示自感現(xiàn)象實(shí)際上是磁場變化的特點(diǎn)。接通K4，當(dāng)接通K1時(shí)，可以觀察到A5立即發(fā)亮和A1逐漸發(fā)亮，至穩(wěn)定后，A5熄滅。斷開K1時(shí)，可觀察到A6和A4立即發(fā)亮，且同步熄滅。這是因?yàn)椋?dāng)接通電源時(shí)，線圈中的磁場增強(qiáng)，在副線圈中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢形成電流使A5發(fā)亮，至磁場穩(wěn)定時(shí)，感生電動(dòng)勢消失，A5熄滅。切斷電源，線圈中的磁場減弱，這時(shí)副線圈中的反向電動(dòng)勢又使A6發(fā)亮，至磁場穩(wěn)定后A6熄滅。根據(jù)A5、A6的亮度變化就能知道鐵芯中磁場的變化情況。同時(shí)也可以判斷副線圈感生電流的方向。
四、不同磁化過程自感系數(shù)的變化情況把K2接通，K4斷開，先把K3向上接通，當(dāng)接通K1后，通過A1的亮度變化觀察暫態(tài)過程的長短。再斷開K1將K3向下接通后接著接通K1，再觀察暫態(tài)過程的長短。通過對(duì)比觀察可知后一暫態(tài)過程更長，即τ2=L2R>τ1=L1R.]]>這是因?yàn)楫?dāng)線圈內(nèi)充有鐵磁介質(zhì)時(shí)，它的自感系數(shù)為L＝μrLo(Lo是線圈內(nèi)外是空氣時(shí)的自感系數(shù))，由于μr隨著磁場強(qiáng)度H變化，所以自感系數(shù)L不再是常數(shù)，而是變量。對(duì)于固定的線圈及電路，電阻R為常數(shù)，根據(jù)時(shí)間常數(shù)τ＝L/R，就可以檢驗(yàn)自感系數(shù)L是否發(fā)生變化。通過換向開關(guān)K3，即可對(duì)自感線圈進(jìn)行正向及反向兩種磁化過程，從而檢驗(yàn)L的變化。表1，表2是本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)的幾個(gè)參數(shù)的比較。
該實(shí)用新型稍作變動(dòng)，做成兩種簡單的自感現(xiàn)象演示儀，用于中等學(xué)校自感教學(xué)，如去掉換向開關(guān)K3和大電阻R2，構(gòu)成一種型號(hào)、而去掉付線圈L′，發(fā)光二極管A5、A6，大電阻R2，換向開關(guān)K3，構(gòu)成另一種型號(hào)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，該實(shí)用新型有如下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)1、該裝置設(shè)計(jì)思想新穎，操作簡便，演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多。
2、演示實(shí)驗(yàn)效果明顯、暫態(tài)時(shí)間長，利于學(xué)生觀察及理解。
3、使用元器件少，性能穩(wěn)定，堅(jiān)固耐用，生產(chǎn)成本低，利于推廣應(yīng)用。
表一發(fā)光二極管與小燈泡性能比較
表二暫態(tài)過程與時(shí)間常數(shù)
其中時(shí)間常數(shù)τ＝t/6估算。
實(shí)施例1例1 本實(shí)用新型使用的E型硅鋼片鐵芯，疊厚5cm，中間繞有自感線圈7000匝。其中5000匝有一組抽頭，所用漆包線線徑φ＝0.4mm，副線圈繞在E型硅鋼片的兩端，每端1500匝，呈串聯(lián)連接。所用線徑φ′＝0.34mm，其中R1＝400Ω，R2＝10kΩ。電源E＝10～15v直流電源，A1、A2、A3、A4是2EF302型發(fā)光二極管，A5A6是2EF2120A型發(fā)光二極管。其連接方式如圖所示，演示實(shí)驗(yàn)操作按說明要求進(jìn)行。
例2 將E型硅鋼片換用U型硅鋼片，副線圈匝數(shù)為1500匝。其它原器件型號(hào)，數(shù)據(jù)均不變。
權(quán)利要求1.一種自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于該裝置采用了原副線圈，六個(gè)發(fā)光二極管及電阻R1、R2組成兩個(gè)演示回路，該裝置設(shè)計(jì)為折疊式，副線圈L′，發(fā)光二極管A5、A6、開關(guān)K4組成一回路位于示教板上部，原線圈L，發(fā)光二極管A1、A2、A3、A4、電阻R1、R2電源E、開關(guān)K1、K2、K3組成另一回路，它位于示教板的下部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)儀，其特征是A1、A2反向并聯(lián)后與L串聯(lián)組成一電路，A3、A4反向并聯(lián)后與R1、R2串聯(lián)組成另一電路，兩電路并聯(lián)接在電源E上，組成原線圈閉合回路，A5、A6反向并聯(lián)后接在L′的兩個(gè)抽頭上，組成副線圈閉合回路，K1為電源開關(guān)，K2為R2的短路開關(guān)，K3為雙刀雙擲換向開關(guān)，其觸點(diǎn)為L的一組抽頭，K4是副線圈閉合回路開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，R2＞＞R1，原線圈自感系數(shù)/回路電阻＞1/60。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的自感現(xiàn)象演示儀，其特征在于自感線圈鐵芯由E型或U型硅鋼片疊合而成，原線圈的匝數(shù)為4000～8000，副線圈的匝數(shù)為1500～3000。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的自感演示儀，其特征是、R1＝400Ω、R2＝10KΩ
6.一種自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于A1、A2反向并聯(lián)后與L串聯(lián)組成一電路，A3、A4反向并聯(lián)后與R1串聯(lián)組成另一電路，兩組電路并聯(lián)接在電源E上，組成原線圈閉合回路，K1為回路開關(guān)，A5、A6反向并聯(lián)后接在L′的兩個(gè)抽頭上，組成副線圈閉合回路，K4為副線圈回路開關(guān)。
7.一種自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于A1、A2反向并聯(lián)后與線圈L組成一電路，A3、A4反向并聯(lián)后與R1串聯(lián)組成另一電路，兩組電路并聯(lián)后接在電源E上，組成自感回路，K1為回路開關(guān)。
專利摘要一種用于電磁學(xué)中自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)裝置，它由原、副線圈，發(fā)光二極管、電阻、電源組成。該實(shí)驗(yàn)裝置能夠演示通、斷電自感現(xiàn)象，自感電動(dòng)墊與外電阻的關(guān)系，線圈鐵芯中磁場的變化情況自感系數(shù)隨磁化過程不同而產(chǎn)生變化的情況。能夠滿足自感教學(xué)及實(shí)驗(yàn)的需要。該裝置設(shè)計(jì)合理，使用元器件少、操作方便，實(shí)驗(yàn)效果很明顯，特別適用于課堂教學(xué)或?qū)W生實(shí)驗(yàn)。該裝置具有生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，利于生產(chǎn)及推廣使用。
文檔編號(hào)G09B23/00GK2069593SQ9020069
公開日1991年1月16日 申請(qǐng)日期1989年12月23日 優(yōu)先權(quán)日1989年12月23日
發(fā)明者馮郁, 章劍和 申請(qǐng)人:江西師范大學(xué)