电磁现象原因剖析及演示装置制作要领

电磁现象原因剖析及演示装置制作要领摘要：分别从磁场对通电导体力的作用规律、磁极间力的作用规律的角度，分析“简易电动机实验”、“电池钻弹簧隧道试验”现象的产生原因，并分介绍两种实验装置的制作要领。关键词：简易电动机；弹簧线圈；通电螺线管；磁场；滑动摩擦力前些日子，有老师在多个物理QQ群转发了两个跟电磁现象有关的视频，引起众多老师的关注视频1：如图1（甲）所示（图1中的甲和乙是视频中的两个截图），圆柱形磁铁置于水平桌面上，将一节干电池放在磁铁的上方，并跟电池负极良好接触。取一外形呈M状裸线圈套在电池外如图1（乙）所示，线圈向内突起的部分置于电池的正极，两端弯成圆弧状的两部分从两侧压在磁铁的侧面后，线圈便会快速的旋转起来。视频2：如图2（1）所示，将一节干电池夹在两个同样的圆柱状磁铁之间并固定（若电池的正负极多是磁性材料，两磁铁会“自动”吸引电池的两极而固定），电池两极与两磁铁良好接触，将磁铁与电池组成的系统塞进一个裸露的铜质弹簧线圈内，会发现，当首位两个磁铁都与弹簧线圈接触后，电池与磁铁组成的系统如同出堂的子弹一般，快速的从弹簧线圈一端“射”到另一端，如果将短线圈换成长线圈，电池与磁铁组成的系统也“后劲十足”，像火车钻隧道一样从线圈的一端沿着弯曲隧道“跑”到另一端，如图2（2）、2（3）所示；如果将长线圈的两端连在一起，组成一个封闭的环形“线圈跑道”，如图2（4）所示，会发现，电池与磁铁组成的系统，像发条上足了劲的赛车一样，不停的在环形跑道内循环运动下去。初次见到该视频的老师，无不被这诱人的实验现象所吸引。可以想象，如果我们将这两个实验以课堂演示的方式引入到电与磁板块相关内容的教学之中（比如，磁场对通电导体力的作用规律、左手定则的应用、电动机的工作原理等内容的教学），学生的兴趣定会十分浓厚的，如果再结合教学内容，引导学生对形成该现象的原因作深入的理论剖析，定会收到很好的课堂教学效果。为便于分析，我们不妨给这两个实验分别起上名字，前者为“简易电动机模型实验”，后者是“电池穿越弹簧隧道实验”。那么，这两个有趣实验现象的原因何在？如果作为课堂演示实验，在制作实验装置时应该注意什么问题？一、简易电动机模型实验1实验现象原因剖析如图3所示，（甲）、（乙）是视频1中简易电动机模型的结构示意图，假设圆柱形磁铁的N极与电池的负极相连，不妨以线圈平面与纸面平行的状态进行分析（由于圆柱形磁铁周围空间的磁感线是以圆柱体的轴线为对称轴的旋转对称图形，所以，线圈在空间内其他任何位置时的空间受力分析，结果是一样的），如图3（丙）所示，M状线圈的ab边和cd边通入的电流方向相同，均向下，但这组对边所在处的磁场方向不同，ab边所在位置的磁场方向向左，cd边所在位置的磁场方向向右，根据左手定则可以判断，ab边受到垂直纸面向里的磁场力，cd边受到垂直纸面向外的磁场力，所以，这组对边在方向相反的磁场力的作用下，会绕其竖直的中轴线不停的按顺时针方向转动（从上往下看）。当然，如果将磁铁的南北极上下调换位置，或者磁铁磁极位置不调换，而调换电池正负极的上下位置，线圈的转动方向都将改变，会由原来的顺时针方向转动改变为逆时针方向转动（从上往下看）。2简易电动机模型的制作要领该简易电动机模型构造简单，制作方便，圆柱形磁铁既是磁场的提供者，又是电路不可或缺的一部份。即便是学生，经教师指导后也可以“轻易”制作成功，但一些“细节”问题必须注意：（1）磁铁应选择强磁性磁铁在线圈长度和通入的电流一定的情况下，只有线圈所在处的磁场足够强，才能产生足够的动力，以克服各接触点的摩擦力（包括线圈与电池正极间的摩擦力和线圈两端与圆柱体磁铁侧面间的摩擦力）维持线圈的持续的转动；否则，如果磁铁磁性较弱的话，即使通电，磁场中的线圈竖直的两边因受力较小可能无法转动下去。实验室或商店出售的高度很小的圆柱形磁铁，通常磁性很强，用来作为图1所示的简易电动机模型的“部件”，制作的成功率往往很高（提醒读者注意的是，很多磁铁的表面涂有绝缘漆，这样的磁铁必须用锉刀将绝缘漆锉掉，否则，线圈无法通电旋转）。（2）线圈的两端与磁铁的侧面应接触良好，压力适中如果线圈的两端与磁铁的侧面接触不良，线圈处于断路状态，没有电流通过不会受到磁场作用力，线圈便不会转动，所以，必须保持线圈两端的部分与磁铁的侧面有足够的压力。为此，在开始制作线圈时，弯成圆弧状的两端间的距离，在线圈没有套在磁铁之前，应该调整为比磁铁的截面直径略小，只有这样，在将线圈套在磁铁上之后，两端的部分才会对磁铁的侧面有足够的压力。但该压力也不可过大，否则，转动的线圈与磁铁侧面间的摩擦力势必很大，会影响通电线圈转动的，在将线圈套上后可以反复进行调试，以保证线圈能保持最佳转动状态。（3）线圈不能选用磁性材料制作线圈不能用铁丝、钢丝等磁性材料制作，因为这类材料被强磁铁磁化之后，线圈的两端会被磁铁吸引，紧紧的压在磁铁上，因摩擦力较大，线圈无法转动。选择铜或铝质线圈均可，如果是绝缘线圈，还应注意把线圈跟电池及线圈跟磁铁接触部分的绝缘漆刮去，以免接触不良，影响线圈的转动。3跟教科书中介绍的简易电动机模型相比，该简易电动机模型的优越性实际上，人教版初中物理教科书也有相关的电动机模型的制作介绍1（参见图4和图5，其中图5是教科书中介绍的电动机模型的结构示意图），跟教科书中介绍的简易电动机模型相比，应该说，上述视频中的电动机模型更具优越性，这主要表现在：首先，教科书中给出的简易电动机模型需要用两个金属支架作为供电的导线，金属支架还需要用一个底座来固定，制作比较麻烦，且构造相对比较“复杂”；而视频中的简易电动机模型，无需其它导线连接，磁铁既是磁场的提供者，也作为连接电路的“导线”，构造非常简单，制作特别方便。其次，教科书中给出的简易电动机模型在“工作”时，为了能够连续转动，在没有换向器的情况下，将充当线圈转轴的半周绝缘漆刮去，设计成在线圈转动的一圈内，只有半周供电，另外半周依靠线圈的惯性转动情形，因为只有半周供电，所以，如果线圈电流不是很大，或者磁铁磁性不是很强，线圈很难保持持续转动，制作的模型往往以失败告终；而视频中的简易电动机模型，在线圈转动的整个过程中，电源持续供电，转动平稳，相当于课本中的模型，制作成功率较高。再次，教科书中给出的简易电动机模型，在绕制线圈时，如果线圈的重心偏离转轴过远（因为线圈很小，只有火柴盒的截面那么大，所以，绕制的结果很难保证线圈重心刚好在转轴上，通常都有所偏离），线圈所受的磁场力矩可能不足以克服重力力矩而无法持续的转动；而视频中的简易电动机模型，即便线圈的左右两边不对称，线圈重力的力矩都不影响线圈的转动（因为重力方向竖直向下，而线圈所受的磁场力方向是水平的）正是基于以上优点，视频中的简易电动机模型，不仅制作方便，而且制作好的装置，往往接通电源即可转动，制作模型的成功率非常高。关于教科书中给出的那种类型的简易电动机模型制作的注意问题，笔者曾在“由一道物理高考题引发的思考2”一文中有详细介绍，这里不再重复。二、电池穿越弹簧隧道实验视频中给出的装置是将两个圆柱形磁铁分别固定在电池的正负极，当该装置插入弹簧线圈，两端的磁铁与线圈接触之后，电池-磁铁组成的系统会在弹簧线圈内向前运动。实际上，只在电池的一端（比如负极）固定磁铁并组成一个系统，当系统插入弹簧线圈之后，设法使电池的另一极与线圈相接触（比如在电池的正极固定一个比电池外径稍大的圆柱体金属块），系统依然可以在弹簧线圈内向前运动。我们先以后者为例进行受力分析。1实验现象原因分析将圆柱形薄磁铁的S极与一节干电池的负极接触，圆柱体小铁块与电池正极固定，三者组成一个系统（磁铁和铁块截面直径比电池略大，以保证它们与线圈良好接触），将该系统插入弹簧线圈的一端，如图6所示图6是这个系统的示意图，A、B两点分别是铁块和磁铁与线圈的接触点（图6中未将铁块画出），则线圈上铁块和磁铁之间的部分有电流通过，成为一段通电螺线管，由安培定则可以判断，这段螺线管（图6中AB之间的部分）左端为N极，右端为S极，根据磁极间力的作用规律可知，通电螺线管与磁铁相互吸引，磁铁因受螺线管的吸引而推着前面的电池和铁块克服摩擦力在弹簧线圈内向右运动，而随着磁铁-电池系统的右移，通电螺线管也不断的右移螺线管始终在磁铁的前面，与磁铁保持固定的距离并与磁铁相吸引，所以，磁铁-电池系统会不停的在弹簧线圈内向前运动，直到离开弹簧为止。该原理跟其中一幅漫画中使驴前进“动力”的“原理”相类似由于有前面悬挂胡萝卜的吸引，驴儿会奋力前进，而驴儿前进时，前面的胡萝卜也在等速往前移动，这样，驴儿便会不停的往前跑，如图7所示。当然，对初中学生来说，用磁极间的作用规律来解释电池穿越弹簧隧道现象的原因，学生容易接受，对高中学生而言，也可以利用磁场对通电导体力的作用规律来进行分析。图6中，我们取线圈中的某一段来进行受力分析。比如，其中的CD段所在处的磁场方向垂直纸面向里，该段导体中的电流方向向上，由左手定则可以判断，CD段所受磁场力的方向水平相左，同样的道理，在通电线圈中取其它的任意一段，所受磁场力的方向也都是水平向左，因此，整个通电线圈都受到磁铁对其水平向左的吸引力，由于物理间力的作用是相互的，所以，通电线圈对磁铁存在向右的吸引力（该结论跟判断通电螺线管的磁极后，根据磁极间的作用规律进行判断，结果是一致的），所以，磁铁-弹簧系统会在线圈内向右运动。再分析电池两端分别固定两个磁铁的情形（即上述视频中的情形）。如图8所示，将两个大小相同的圆柱形磁铁的同名磁极（比如，两个S极）分别跟一节干电池的正负极连接并固定，将该系统置于弹簧线圈内，当两磁铁都与线圈接触时，两磁铁之间的线圈成为一段通电螺线管，根据安培定则可以判断，该通电螺线管的左端为N极，右端为S极，所以，左边与电池负极相连的磁铁受到螺线管的吸引，右边与电池正极相连的磁铁受到螺线管的排斥，因此，作为整体，两磁铁和电池组成的系统受到螺线管向右的作用力，故电池-磁铁系统会在弹簧线圈内向右运动。如果同时更换两磁铁的磁极，将两磁铁的N及分别与图8中电池的正负极相连，那么，电池-磁铁系统受到磁场力的方向将变得相反，系统会在弹簧线圈内向左运动。易知，当两个同样的磁铁（即形状相同，磁性也相同）的异名磁极分别与电池两极相连并固定组成一个系统，该系统置于弹簧线圈内时，尽管两磁铁之间的线圈也会成为通电螺线管，但是，电池两端的两个磁铁所受螺线管的作用力大小相等，方向相反，作为整体，系统所受到的这两个磁场力是一对平衡力，系统不会在磁场内向任何方向运动的。2弹簧穿越隧道模型的制作要领上述简易电动机模型在转动过程中所受到的摩擦阻力来自于两个方面，其一，线圈向内凸起的部分与电池正极间的摩擦；其二，弯成圆弧状的线圈两端与磁铁侧面间的滑动摩擦力。因为单匝线圈质量很小，所以，线圈与电池正极间的压力也很小，电池的正极又比较光滑，故，线圈向内凸起的部分与电池正极间的摩擦力非常的小；调整线圈的两端与磁铁侧面间的压力大小和接触面的光滑程度，也可以使线圈在转动过程中所受磁铁侧面的摩擦阻力变的很小。换句话说，简易电动机模型在线圈转动过程中所受的摩擦阻力可以调整的足够小。跟简易电动机模型转动过程所受的摩擦力不同，电池穿越弹簧隧道模型所受的摩擦阻力主要来自于电池-磁铁系统与弹簧线圈间的滑动摩擦力，相对于简易电动机模型，摩擦阻力较大，如果通电螺线管提供的磁场力（动力）不大于电池-磁铁系统所受线圈的滑动摩擦力，那么，电池-磁铁系统是无法在弹簧线圈内前进的。所以，为使该实验装置制作成功，应该从增大磁场力和减小摩擦阻力两个方面综合考虑。 （1）电池-磁铁系统应尽可能轻电池-磁铁系统在弹簧线圈内向前运动时，所受的摩擦阻力与系统的重力大小成正比，所以，电池-磁铁系统越轻，所受的摩擦阻力就越小。因此，在选择制作器材时，从系统重力小的角度考虑，选择截面半径最小的7号电池和截面略大于电池的薄磁铁比较合适。（2）磁铁的侧面和弹簧线圈内部应尽可能光滑电池-磁铁系统在线圈内运动时，所受摩擦力的大小不仅跟系统重力有关，还跟系统与线圈接触面的粗糙程度有关，在重力一定时（此时压力一定），接触面越光滑，滑动摩擦力就越小，所以，磁铁的侧面和弹簧线圈内部磨得光滑一些，可以减小滑动摩擦力。（3）应选择新电池制作该模型，应该用新电池，不能用旧电池。因为电池用久之后的内阻增大，在电池电动势一定时，通过线圈的电流必然要减小，通电螺线管的磁性会减弱，通电螺线管与磁铁间的相互作用力就会减小，若动力不足，电池-磁铁系统可能不足以克服摩擦力而无法向前运动。（4）线圈应尽可能密集用新电池可以保证电流足够大，为了使螺线管具有更强的磁性，以使电池-磁铁系统获得足够的动力，线圈应尽可能密集一些，因为电池的长度是一定的，稀疏的线圈通电匝数必然很少，即使电流大，磁性也不会很大。另外，线圈应该用电阻率小的非磁性材料制作，因为磁性材料（如铁质弹簧）会被强磁铁吸引，磁铁与线圈间的摩擦力会显著增大，系统获得的磁场力（动力）很可能不足以克服摩擦阻力而无法运动，通常用密集的铜质线圈比较好，做成的