电磁跳环演示实验报告
电磁跳环演示实验报告
实验原理
1、电磁感应:当通过回路的磁通量发生改变时,就会产生电磁感应现象,产生感应电动势,若回路闭合,则会产生感应电流,且产生的感应电动势满足法拉第电磁感应定律。
2、法拉第电磁感应定律:回路中的感应电动势ε与通过该回路的磁通量Ф的时间变化率成正比,即ε=-d Φ/dt 。对于导体回路是N 匝线圈,定义全磁通:ψ=∑Φi , 其中Φi 为通过线圈第i 匝的磁通量。
i =1N
对于各匝线圈磁通量相同的特别情形,则有ε=-Nd Φ/dt 。
3、楞次定律:感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。
4、安培定律:通电导线在磁场中会受到力的作用,满足F =IBl 。
5、麦克斯韦的涡旋电场理论:随时间变换的磁场在其周围产生电场,并且感应电场的环流不为零,而等于感应电动势,即ε= ⎰E ∙dl =-⎰⎰C ∂B ∙dS 。 S ∂t
实验器材
1台电磁跳环演示仪(接交流电源),2
个相同的封闭小铝环(记为A 环)、1个钻
有许多小孔的封闭小铝环(B 环)、1个开口
小铝环(C 环)、一个封闭的小塑料环(D环) 、
一个大铝环(E 环),一个连有小灯泡的线
圈。右图为本实验所用的电磁跳环演示仪。
实验内容
一、普通实验
1、分别将1个封闭的小铝环(A 环)、钻有许多小孔的小铝环(B 环)、开口的小铝环(C 环)和小塑料环(D 环)放入电磁跳环演示仪中,接通电源,观察实验现象。
现象:A 环和B 环向上跳起,C 环和D 环不动。
解释:由于A 环和B 环是封闭的导体铝环,当接通电磁跳环演示仪的电源时,通电线圈瞬间产生磁场,使穿过铝环的磁通量瞬间增大,由电磁感应定律和楞次定律可知,铝环将产生感应电流激发反向磁场来“抵抗”磁通量的增加,在由安培定律可判断出铝环受到向上的安培力(其值远大于铝环自身的重力)作用,因而往上跳。然而,由于C 环是开口的,因而其形不成闭合回路,也就不会有感应电流的产生,故不受安培力的作用,C 环由于自身的重力作用仍处在台面上。D 环由于不是导体,自然也就不会有感应电流产生,故不受安培力作用,仍处在台面上。
2、将1个A 环放入电磁跳环演示仪中,接通电源,待A 环稳定在半空中时,再用手拿着大铝环(E 环),缓缓套入演示仪中直到与稳定的A 环处在同一平面(近似),而后将E 环较慢地向上(或向下)运动,观察实验现象。
现象:A 环“跟随”E 环向上(或向下)运动。
解释:在E 环靠近A 环的过程中,E 环已经由于电磁感应而产生了感应电流,其感应电流又会激发磁场来影响A 环。由楞次定律和安培定
律可知,当E 环向上(或向下)运动时,会使通过A 环的磁通量发生变化,经过判断可知A 环受到向上(或向下)的安培力作用,因而“跟随”E 环一起向上(或向下)运动。
3、将1个A 环放入电磁跳环演示仪中,接通电源,待A 环稳定在半空中时,再用手拿着另一个A 环缓缓套入演示仪中,逐渐接近稳定的A 环,观察实验现象。
现象:在两个A 环考得比较近的时候,稳定的A 环突然向上运动,最终与另一个A 环粘在一起。
解释:由麦克斯韦涡旋电场理论可知,接交流电源的线圈产生变化的磁场,当两个A 环分别放入电磁跳环演示仪的时候,它们都会被磁化而产生涡旋电场,并且其感应电流的方向相同。由安培定律可知,电流方向相同的两个小铝环会互相吸引,由于在比较接近的时候,它们之间的吸引力大于自身重力,因此稳定的A 环向上运动,并最终与另一个A 环粘在一起。
4、将连有小灯泡的线圈放入电磁跳环演示仪中,接通电源,观察实验现象。
现象:小灯泡发光。
解释:由麦克斯韦涡旋电场理论可知,接交流电源的线圈产生变化的磁场,而变化的磁场则在其周围产生电场,当连有小灯泡的线圈放入演示仪时,线圈就会产生感应电流,因而小灯泡发光。
二、比较实验
1、分别将1个封闭的小铝环(A 环)和1个钻有许多小孔的小铝环
(B 环)放在电磁跳环演示仪中,接通电源,两个小铝环均向上跳起,到达的最大高度分别为h 1、h 2,观察实验现象,比较h 1、h 2的大小。 现象:h 1>h 2。
解释1:由麦克斯韦的涡旋电场理论可知,接通交流电源后的电磁跳环演示仪产生变化的磁场,变化的磁场在其周围产生涡旋电场。由于A 环没有小孔而B 环钻有许多小孔,这样可以认为A 环中的涡旋电流的“环数”多于B 环,再根据安培定律可判断A 环受到的安培斥力比较大,因此A 环上跳的最大高度大于B 环,即h 1>h 2。
解释2: 由法拉第电磁感应定律可知,ε=-Nd Φ/dt 。由于A 环没有小孔而B 环钻有许多小孔,这样穿过A 环的净磁通量ψA 大于穿过B 环
的净磁通量ψB , 因此当电流变化而引起磁场变化时,将会有
d ψA >d ψB , 而交流电的变化频率相同,即dt A =dt B , 故εA >εB 。再根据
安培定律就可判断出A 环受到的安培斥力比较大,因此A 环上跳的最大高度大于B 环,即h 1>h 2。
2、将1个封闭的小铝环(A 环)放在电磁跳环演示仪中,接通电源,A 环向上跳起到达的最大高度分别为h 1;将1个钻有许多小孔的小铝
环(B 环)和1个封闭的小铝环(A 环)一起放在电磁跳环演示仪中,接通电源,两个小铝环粘在一起向上跳起,到达的最大高度分别为h 2,将1个钻有许多小孔的小铝环(B 环)和2个封闭的小铝环(A 环)一起放在电磁跳环演示仪中,接通电源,三个小铝环粘在一起向上跳起,到达的最大高度分别为h 3, 观察实验现象,比较h 1、h 2和h 3的大小。 现象:h 1
解释1:将1个小铝环近似看成1匝线圈(不知道是否可以?),将2个或3个铝环叠在一起看成是2匝或3匝线圈,即将所有叠在一起的铝环看成一个整体,认为它们之间也有感应电流经过。这样,由法拉第电磁感应定律ε=-Nd Φ/dt 可知:ε1
线圈(不是所有整体)所受的安培斥力有F 1
的电磁跳环演示仪非常光滑,所以忽略摩擦阻力。因此,由牛顿第二定律可知:h 1
解释2:将所有叠在一起的铝环看成一个整体,但认为它们之间彼此绝缘,没有感应电流经过。由于小铝环很薄,故近似认为上下放置时受力不受影响。这样铝环叠在一起时与单独放置时,单个相同铝环的受力不变,假设A 环所受安培力为f A ,B 环为f B , 则1个A 环和B 环整
体受力为f A +f B ,2个A 环和1个B 环整体受力为2f A +f B ,在整个过程
中,我们认为摩擦阻力近似不变(不知道是否合理?),假设每个小铝环的质量均为m(只是为了简化计算,无实质影响) 。因此,a 1=f A -f f +f -f 2f +f -f ,a 2=A B ,a 3=A B 。因为只知道f B
有其它条件及相关的定量关系,故只能判断出a 2
以上两种不同的解释都对实验的一些方面做了假设,故其正确与否有待通过实验来进一步检验。
三、检验实验
1、将1个封闭的小铝环(A 环)放在电磁跳环演示仪中,接通电源,
A 环向上跳起到达的最大高度分别为h 1;将1个开口的小铝环(C 环)
和1个封闭的小铝环(A 环)用细小的透明胶粘在一起【注:(1)透明胶粘在小铝环的外沿,因此认为它不改变摩擦力;(2)透明胶足够细小,因此认为它基本不影响整体的重力。】放在电磁跳环演示仪中,接通电源,两个小铝环粘在一起向上跳起,到达的最大高度分别为h 2。根据解释1的说法,它们之间有感应电流经过,1个A 环看成1匝线圈,1个A 环和1个C 环构成的整体可以看成两个线圈,因此通过观察实验现象,如果h 1
实验现象:h 1>h 2。
检验结果:由于实验结果与解释1不符,因此解释1的说法不合理。但是此实验并不能说明解释2是合理的。实际上,由于试验中的电磁跳环演示仪和小铝环内表面都十分光滑,它们之间的摩擦力是很小的,相比于安培斥力理论上应该是可以忽略的。然而,要精确检验解释2是否合理,则要通过进一步的定量实验来检验。
实验总结
1、电磁跳环演示实验涉及到了电磁感应原理、法拉第电磁感应定律、楞次定律、安培定律、麦克斯韦涡旋电场理论等重要的电磁学基本原理,通过体验电磁跳环演示实验,有利于读者提高对物理实验的兴趣,加深对这些电磁学基本原理的理解,更好地掌握所学理论知识。
2、该实验中的有些现象在理论上存在着多种解释,若要进一步检验其合理性,有时必须通过定量实验来完成。