《电磁感应》演示实验设计——手摇手电筒的制作

                                             莆田十中 物理组 吴琼烟

摘要：传统的电磁感应演示实验，学生不易仿制。本文介绍一款适合自己动手制作的手遥手电筒电磁感应实验，课堂教学演示效果良好，学生易于自制，激发兴趣。

关键词：电磁感应、手摇手电简、磁铁、线圈

曾经有人建议我们使用“手摇手电简”作为“电磁感应”这节课的教师演示实验。我们反复论证，认为这个实验是行之有效的。本文考虑使用一些直观的、切合实际生活中应用的、易于制作的实验方案。

“手摇手电简”是什么呢？让我们先看看网络上这样的一段产品广告吧：“产品环保设计，永远不需电池，不需更换灯泡，用LED作为发光器件，具有长寿命、高亮度的优点。整体完全密封,不但防水,而且还可漂浮在水面。利用法拉第原理中的电磁力学说，将机械能转为电能，不但节约能源，而且也没有更换电池及电池废弃了……”我想，您大概部分的理解了它的原理，那么更具体的设计原理及实验方案又是怎样的呢？在本文中，将阐述“手摇手电简”演示实验的制作过程、教学实践过程（详见参考资料中），作为一个案例展示给读者。

一、电原理图：

本电路的基本原理与法拉第的电磁学说有关，关于这个学说的论述并不是本文所要讨论的。但值得我们注意的是，图中磁铁在线圈中运动，将造成线圈环路磁通变化，进而产生感应电流。电路中还应用了一些现代电子器件，把感应电流转为光。其中电容C为贮能元件，R为限流电阻，D1起到整流作用，D2为发光二极管。

当磁铁插入线圈，线圈将产生感应电动势。感应电动势的方向与线圈的缠绕方向、磁铁的运动方向、磁铁的南北极朝向等因素有关。当磁铁在线圈中上下运动，线圈的磁通量发生变化，在线圈中将产生交变电动势，也就是说，我们从线圈两端得到的电压是交流电压。例如，我们可能得到这样的结果：磁铁插入时，线圈AB两端电压差为正，取出时，AB两端电压差为负。

二、电路设计：

图中的电容C是贮能元件。比较理想的一种方案是，选择一个法拉电容。什么是法拉电容呢？是指容量很大的电容，标称容量可以达到几个法拉甚至更多。虽然法拉电容成本不高，但由于民用领域不常用，所以我们不易取得这种电容，我们必须考虑使用其它元件代换它。通常，几千微法的电容是很常用的，我们可以选用一个或数个千微法电容并联，取代法拉电容。

当我们选用节能型负截时，比如，选用高效节能的LED发光二极管，只需0.5毫安以下的电流，即可驱动它，使它发出较强的光，以至于全班同学能够清晰的看到它所发出的光线。当电容充电后，闭合K，电容开始对D2放电，D2开始发光，我们做个假设，放电时电流恒定不变，那么，当C的电压下降了1伏特，需要多少时间呢？设电容的容量为C=2200uF，放电电流I=1mA，那么所需的放电时间t：

计算表明，C两端电压每下降1v，耗时2.2秒左右。在这么长的时间内，基本可感觉到电容的“贮能效果”，如果必要，可使用多个电容并联，则效果非常明显。

C应选用漏电电流小的，如果漏电电流很大，那么在充电过程中，C上的电荷就已经漏光光，那就别想驱动LED了。如何判别C的漏电的大小呢？这里介绍一种方法：使用机械式万用表，拔到1欧档，用万用表的两个表笔（务必注意，黑表笔为正，它应接到电容的正极）对电容充电，此时表针向右摆动后会快速归零，稳定后，再拔到10欧档，继续充电，表针稳定后，再拔到1千欧档，再充电，过一段时间后，看表针是否接近为零，此时表针的电流读数就是1.5V电压下电容的漏电流。值得注意的是，换档过程中无须将表笔短路调零，另外，用欧姆档是可以读出电流的，读法是，先估计表的内阻r（约为指针居中是的电阻读数），那么表针偏转到满量程时的电流约为1.5/r。通常选取耐温105摄氏度、耐压35V的正品2200uF铝电解电容，1.5V时的漏电流几乎为零。另外，不要试图一次性使用1千欧档测出大电解电容的漏电电流，因为1千欧档充电速度太慢，几十分钟时间内无法对电容充满电。

正如前面所述，AB两端的电压是交流电压。如果直接把AB输出的交流电直接接在电容C上，那么，因电容具有“通交流阻直流”的作用，C对交流电产生“短路”效果，也就是说，当AB两端电压为正时，线圈对电容正向充电，当AB两端电压为负时，线圈对电容反向充电，在一个周期后，正向与反向充电相互底消，几乎等于没有充电，电压无法持续积累，电容C两端的电压几乎为零，能量全部被线圈的内阻损耗。为了解决这个问题，在电路中串联了一个二极管D1，使得线圈总是对电容C进行单方向充电，促使电容两端的电压升高。这种串联二极管的方法常被人们称为半波整流，它可把交流电变为直流电，电路简单，不过效率较低。我们可以考虑使用全波整流，效率可提高接近一倍，但考虑到全波整流电路使用四个二极管，电路变得比较复杂，学生不易接受，所以我们最终选择简单的半波整流。图中的二极管D1可选取遍地开花的1N4148开关二极管或其它专用的整流二极管（如1N4001、1N4004、1N4007），只要是现代的二极管，用在这个电路中，基本上都没有问题，当然最好不要使用上世纪六七十年代的2AP9之类的管子。

D2是高亮度的LED发光二极管。LED具有发光效率高的特点，发光效率高达95%，而普通的白炽灯只有10%以下。随着技术的成熟，LED将大面积取代普通灯具。接下来让粗略的研究一下LED的特性。LED的伏安特性与普通白炽灯炮的伏安特性是完全不同的：

从图中，我们看到，LED灯有个临界导通电压（不同类型的LED灯的临界导通电压略有不同），当电压达到3V以后，LED灯几乎是突然导通的，微变电阻非常小，在电压达3V以后，电压只要有微小的变化，电流将发生巨大的变化。正因如此，如果把LED灯直接连接在电容C的两端，将造成容器两端的电压无法继续上升，只会保持在3V多一点，如果再升高，LED则强烈导通，电容上的电压迅速下降，最终导致电容器的贮能效果没有表现出来。为此，我们不得不在电路中加入一个限流电阻，以提高电容的贮能，并限制电流，延长放电时间。当然，这种做法将造成大量能量损耗在电阻上，白白浪费了，实际电路工程设计中是不允许这么做的，通常会考虑使用更加复杂的电路来解决这个问题，但这已超出本文的范围，这里力求简单、直观、注重课堂使用的实效，所以只用一个电阻简单限流。

另外应注意，LED灯的两个引脚有正负极之分，如果接反了，灯不亮，也没有电流通过，如果这时电压很高，可能造成LED灯反向击穿。

线圈的设计：

线圈的设计的主要困难是匝数问题。当磁铁的磁性不强时，所需的匝数比较多。在我们现有的实验室配备的电磁感应相关的仪器中，可以找到一些线圈，但大多数线圈因其匝数不够，产生的感应电动势不足以驱动LED灯，一般要求5000匝以上。由于LED的正向压降约为3V左右，D1的正向压降为0.65伏左右，所以所需电动势应在3.7V以上。为了避免制作失败，安装前，可将机械万表2.5伏直流档接在线圈上，将磁铁插入，观察针的偏转情况，估测感应电动势，如果最大读数可达1伏，那么，感应电动势的峰值就会有几个伏特。磁铁插入时不要太快，如果太快，峰电压很高，时间短，但由于指针惯性大，不能马上偏转，读数反而很小。如果有条件，可使用SR8等支持慢扫描的示波器，观察线圈的输出的电压波形，即可知道输出的准确峰值电压。

有个比较省事的方法，找个小型的交流接触器，取出其中的线圈。这个线圈有7至10千匝，可满足本实验要求。假如你没有见过交流接触器，可向学校的电工咨询一下。

由于线圈内阻达数千欧，所以它对电容充电的过程经比较慢的，电容器上的电压从0升到3伏需要一段时间，这段时间可能需要几十秒。

磁铁的选择：建议使用实验室的小型U形磁，效果比较好。

制作过程：

找块有机玻离板（选用专用电路板或木板或硬纸板等也可以），把元件固定在上面，用导线连接上即可，有条件的可采取锡焊。其中线圈不要固定在玻离板上，应使用导线连接到外面，以方便操作。当你理解以上原理及制作过程，并准备好材料，仅需花费1小时以内的时间即可制作成功。最后再次强调，在连接电路前，请使用你手头上的仪表仔细检查，看看你所选用的元件是否符合上述的要求，如果你是从来没有电路设计及制作的经验，这一点就显得非常重要，不然，当LED不亮时，你将没有足够的理论知识及经验去解决问题，造成制作失败。

注明：该论文于2015年11月在《新教育时代》第67期发表

作者：福建省莆田市秀屿区莆田第十中学 吴琼烟 13959528262