变压器上的电磁感应
江西省抚州市南丰县第一中学聂应才
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关键词：变压器；电磁感应；支架
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新课程标准要求学生体验物理，进行多样性的学习，同时要求教师尽量开发实验，使学生在真实的情景中质疑，同化新知识，意义建构自己的知识图式，知识得到顺应。从本质上讲，教师教学的辅助性材料如实物，是为了帮助学生理解知识，起到支架作用，即常说的“教是为了不教”。
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由于物理学科的特点，实验是很好的支架，起到十分必要的抛锚效果。电磁感应是高中教学的一个重点和难点。它有许多令学生难以置信的现象，但不可能像大学那样从微分方程纯数学推导，这时实验就起到良好的脚手架作用，帮助学生建起“知识”大厦。本人用中学实验室里常有的J2425型变压器做出了很多电磁感应现象实验。
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1．“千人震”实验
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如图1所示，绿色线圈接400匝，然后串联上开关和干电池，红色线圈接1600匝，然后两根导线分别被“串联”起来的两边人手握着金属部分。当开关接通和断开的瞬间，手牵着手的学生们会有触电的感受，同时自觉地把手松开。这是互感的原因。但把电池接在同一线圈上（如图2所示，电池也接在红色线圈1600匝），当开关接通时，人没有感觉，可当开关断开瞬间，他们突然受到电击，迅速收回双手。这是自感的原因。如果一个人，可以把图2改装成图3，锯条代替开关，当人两手拿锯条来回接触运动时，线圈电流在不断地变化产生强自感电动势，使人有电击的感觉。同时观察到锯条间出现电火花，所以大功率用电器的开关应该装在金属壳中，甚至把开关的接触点浸在绝缘油中，避免出现电火花。
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2．“发光”实验
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“千人震”实验是触觉的感受，利用发光二极管或电表可以形成视觉的电磁感应现象。如图4所示，把红色线圈拆出来，把1600匝与发光二极管相连，把磁铁插入（或拔出）时二极管发光。把图1、2中的人、图4的二极管换成电流表，容易得到感应电流产生的条件。查明线圈的绕向，能判断感应电流的方向，即楞次定律。
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3．“跳环”实验
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装置如图5所示。将条形轭铁竖直（磨光面向下）放在U形铁芯的一个立柱上。套上红色线圈及铝环。把线圈0－800匝的两端接220伏特交流电源。
演示时，接通电源，由于线圈中有交变电流通过，在铝环中产生感生电流。感生电流的方向与线圈中电流方向相反，因而感生电流产生的磁场与线圈磁场方向相反，两者相互排斥而使铝环跳起，并可悬浮在轭铁上。为防止在通电瞬间铝环跳出，可在轭铁顶上放一本书或用手挡住。
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此实验也可以用楞次定律进行解释：接通电源，铝环的磁通量增加，由楞次定律可知，铝环要向磁通量减少的方向运动，则只有向上跳了。
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有这样一道题：如图6所示，水平面上有两根平行导轨，上面放两根金属棒a、b。当条形磁铁如图向下移动时（不到达导轨平面），a、b将如何移动？
图7?
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a、b金属棒将靠近，其理由与跳环原因一样。本人将图5的轭铁和铝环去掉，把图6的框架放在铁芯上，设计成图7实验，当接通电源时，能清楚地看到a、b棒靠近。
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注意：由于实验时通过线圈的电流强度较大，通电时间一次不要超过1分钟。以下用到220V的交流电压都要注意这个条件，不再另述了。
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4．“涡流”实验
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如图8所示，把红色线圈（1600匝）通过家庭电灯用的拉线开关S（不要用低电压用的单刀单掷开关）接上220V的交流电，条形轭铁与极掌之间留下0．5～1cm的距离。因为极掌是一整块软铁做成，闭合开关S，所以在极掌铁芯内部产生涡流，并形成涡流电压。将示波器Y轴调整在衰减×1挡或×10挡，X轴扫描频率调整在10～100Hz范围。Y轴和地之间的输入导线可用多用表的表笔，作为探针。Y轴和地的探针P、Q与极掌上不同的两个点接触，如AO、AB、AC或CD。在示波器屏幕上都可以看到涡流交流电压的正弦波形。条形轭铁是硅钢片制成，每一片硅钢片之间是绝缘的，其涡流电流控制在每一片硅钢片的最小范围内，在条形轭铁的端面检测不到明显的涡流电压波形。
图8?
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断开开关S，探针P、Q仍与上述各点接触则在示波器上看不到涡流电压波形。可知上面实验所看到的正弦电压波形是极掌中由于电磁感应形成的涡流电压波形，而不是线圈中220V交流电压波形。
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5．“电磁阻尼”实验
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实验装置如图9、10所示。将绿色线圈套入U形铁芯内，两极掌分别放在侧立铁芯上方，并使垂直端面相对，距离约20毫米，用轭铁压板压紧。把摆架装在压板上，使摆架的刀承与极掌相对面垂直。再分别将强、弱阻尼摆的口刀放在刀承上，使两摆能在极掌的空隙间自由摆动，互相不摩擦、不碰撞。线圈用400匝，电源接直流12～16伏。
演示时，先不给线圈通电。将两摆偏离平衡位置约20度，同时释放任其自由摆动。这时，可看到两摆不仅衰减很慢而且衰减幅度也基本相同。再给线圈通电，重新使两摆在同一高度释放使它们摆动。这时可以看到，强阻尼摆迅速衰减并停止摆动（图9），而弱阻尼摆则衰减较慢，较长时间仍能摆动（图10）。
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6．“感生电场”实验
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图5中由于线圈通入的是交流，线圈中的磁场是变化，则在它空间产生感生电场，用导线圈放入其中，感生电场对导线中自由电子就会有力的作用，使电子做定向移到，从而使灯泡发光、金属发热。所以图5铝环压在轭铁中，过一会儿，铝环就会发热。用感应灯线圈来代替铝环，当感应灯从条形轭铁上方逐步套入时，随着磁通量变化率的增加，感生电流逐步加大，小灯泡亮度也逐渐增强。小灯泡的额定电压为2．5V。
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把图9所示的装置去掉阻尼摆及支架，使两极掌间的距离略大于感应灯的口径。接通电源（交流220伏特），把感应灯线圈从上方插入极掌空隙内。当线圈平面与极掌端面平行时，感生到线圈中的电流强度最大，小灯泡最亮。逐渐旋转线圈，直到线圈平面与极掌平面垂直时，小灯泡渐渐转暗直至完全熄灭。如将小灯泡两端用导线外接一演示电表（交流15伏或25伏挡），从指示数得到感应电压值。
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7．“自感”实验
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通电自感现象演示
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实验电路如图11所示。在自感现象演示板上接入装有闭合铁芯的红色线圈（1600匝）做为电感器L。将示教板插进轭铁压板上，用压紧螺母固定。电源用J1201型低压电源直流稳压12伏输出。
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演示前，先将可变电阻R值调到最大，闭合开关K，再调节R值，使D1、D2两小灯泡亮度相同后，将K断开。演示时，闭合开关K，电路接通，电路中电流增加，穿过线圈L的磁通量增加，从而产生感生电动势，感生电动势阻碍线圈电流增大，使灯泡D1电路中的电流的增加速度变慢。因此，可以明显地看到，D1比D2发亮的时间滞后。如需重复观察上述现象，最好将a、b两点的电源接线互相调换一下极性，以减少铁芯剩磁对实验效果的影响。
·断电自感现象演示
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实验电路如图12所示。电感器L用红色线圈（200匝）或者用绿色线圈（400匝），加上铁芯。a、b两端输入6伏直流稳压电。
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演示时，闭合开关K，小灯泡正常发亮。当断开K时，线圈L中的电流迅速减弱并消失，同时引起磁通量的急骤变化，使线圈中产生一个感生电动势，此感生电动势的方向跟线圈中的电流方向相同，阻碍电路中电流减弱，使电流仍能沿原来方向继续流动一个瞬间。由于感生电动势远高于电源的电动势，结果使灯泡D1在切断电源的一瞬间发出强光而后熄灭。
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·电“惯性”演示
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图12断开K瞬间，线圈产生自感电动势，使线圈的电流在原来的基础上减弱，同时D1获得一个与原来相反方向的电流，本人把图11每条支路中各加入了一个电流表，如图13所示。电流表用J0401型电流表，量程为1A左右。当断开K，电流表A1指针没有发生突变，而是在原来的基础上逐渐减少，而A2指针突然反转、然后才逐渐减少。很好地演示了线圈的电“惯性”。
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注意：进行此实验时，特别要注意电源选择，要用电池或稳压电源，不能使用脉动直流电源。
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参考文献：
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[1]J2425型变压器说明书
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[2]人民教育出版社，课程教材研究所．物理·教师教学用书（选修3-2）．北京，人民教育出版社，2008．
2011-03-04??人教网
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