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电磁跳环演示试验报告

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电磁跳环演示试验报告

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  d/dt。对于导体回路是 N 匝线圈,定义全磁通   i ,其中 i 为通过线圈第i匝的磁通量。 i1 N 对于各匝线圈磁通量相同的特别情形,则有  Nd/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 Edl   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,  Nd/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 A 大于穿过 B 环 的净磁通量 B ,因此当电流变化而引起磁场变化时,将会有 d A  d B ,而交流电的变化频率相同,即dt A  dt B ,故 A  B 。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  h 2  h 3 。 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  Nd/dt可知 1  2  3 , 再由安培定律可得每匝 线圈(不是所有整体)所受的安培斥力有 F 1  F 2  F 3 ,由于实验所用 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  h 2  h 3 。 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2 f 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  ff

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