专利名称：电磁感应综合实验装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁感应实验装置，尤其是由磁铁、线圈组成的电磁感应综合实验装置。本发明还涉及电磁感应综合实验装置多抽头感应线圈和专用支架的制造方法。
背景技术：
电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它揭示了电与磁相互联系和转化的重要方面，它的发现在科学上和技术上都具有划时代的意义。法拉第经过十年的精心实验研究，于1831年第一次发现了电磁感应现象，并总结出法拉第电磁感应定律导体回路中感应电动势的大小与穿过回路的磁通量的变化率成正比。1834年，楞次提出了判断感应电流方向的方法闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化，这个结论叫做楞次定律。如何采用便捷的方法和简单的装置获得并记录电磁感应过程的全部信息供人们分析研究，一直是科技工作者探索和追求的目标。
利用中华人民共和国国家知识产权局专利局所提供的专利检索系统对该类发明进行全面检索，获得专利文献如下1.电磁感应实验装置(公开号CN2033530
公开日1989.03.01)，该实用新型把原来的用手动切割磁力线，改变成重力作用切割磁力线，并用双轨道、滚棒和电表组成闭合电路，把永磁铁改成电磁铁。该装置只能看到电表指针的摆动，无法验证电磁感应现象所涉及的各物理量之间的量化关系。
2.一种新型电磁感应实验器具(公开号CN253587
公开日2003.02.12)，它主要包括一个与电动机相连的机座一个与所述机座相连可转动的金属圆盘，还有一个与所述机座相连的转动支架，在所述的转动支架上安装有上、下磁铁。该实用新型验证的是电磁阻尼作用。
3.电磁感应实验装置(公开号CN2686011
公开日2005.03.16)，该实用新型由U型磁铁、线圈、支架、底板、电流表构成。移动支架、线圈切割磁力线，电流表显示电流。仍无法准确测定电磁感应现象之间的量化关系。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可以获得并记录电磁感应过程的全部信息供人们分析研究的电磁感应综合实验装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是圆柱形永久磁铁在重力作用下穿过固定在专用支架上且直立的导管自由下落至磁铁吸附垫；固定在导管外的两个多抽头感应线圈把圆柱形永久磁铁经过时所产生的感应电动势的全部变化过程传给数字存储示波器的两个通道供其显示并储存。
本发明所使用的专用支架是中空结构，可以保证圆柱形永久磁铁穿过基座下落至地面；三个地脚螺丝用于调节导管的垂直；固定导管的套管外面采用焊接方法加装两个紧固圈，紧固圈上面设有紧固螺丝和圆柱形橡胶垫。
本发明所使用的多抽头感应线圈，采用了单根漆包线在骨架的线槽内缠绕并在相等匝数处抽头的绕制方法，各抽头通过骨架上的穿线槽绕到接线盘的下面焊接在探针上。接线盘的上表面喷涂或印制线圈符号和数字，与骨架采用热熔胶胶合或螺丝固定的方法合为一体。为了可以上下拉动多抽头感应线圈，骨架还配有圆柱形橡胶垫和摩擦力调节螺丝。
本发明的有益效果是结构简单，操作方便，可以在量化研究法拉第电磁感应定律和楞次定律的同时，实现对重力、磁力等物理量的测量。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
图1是本发明电磁感应综合实验装置的系统结构示意图；图2是本发明电磁感应综合实验装置专用支架的结构示意图；图3是本发明电磁感应综合实验装置多抽头感应线圈结构示意图；图4和图5是图3所示多抽头感应线圈的骨架和接线盘示意图；图6至图8分别描述了本发明电磁感应综合实验装置几种使用方法所对应的显示结果。
具体实施例方式
在图1所示的电磁感应综合实验装置中，圆柱形永久磁铁1在重力作用下穿过固定在专用支架4上且直立的导管3自由下落至磁铁吸附垫5。设置在导管3外的两个多抽头感应线圈2把圆柱形永久磁铁1经过时所产生的感应电动势的全部变化过程传给数字存储示波器6的两个通道供其显示并储存。导管3根据实验内容的不同选用玻璃管、铜管、铝管或不锈钢管，导管3的外径为15毫米，内径为12毫米，长度为1-1.5米，便于不同高度的人操作。圆柱形永久磁铁1的直径为10毫米，长度为10-20毫米，太长会使感应电动势正负交替处产生长时间零信号。专用支架4下面放置的磁铁吸附垫5由橡胶和铁板粘合而成，其作用是使圆柱形永久磁铁1实现“软着陆”。
图2是本发明电磁感应综合实验装置专用支架的结构示意图。本发明所使用的专用支架4是中空结构，可以保证圆柱形永久磁铁1穿过基座12下落至地面。基座12采用铜质或铝质材料浇注而成，套管7采用和基座12一样的材料，便于焊接。套管7的内径略大于导管3的外径，以便于更换导管3。三个地脚螺丝9用于调节导管3的垂直。在套管7上预先加工两个孔，其直径大于紧固圈8的螺丝孔，两部件套装后使两孔同心，采用焊接方法组合。紧固圈8上面设有紧固螺丝10和圆柱形橡胶垫11，以免紧固压力过大而损坏插入的导管3。
图3是本发明电磁感应综合实验装置多抽头感应线圈结构示意图。本发明所使用的多抽头感应线圈2采用了单根漆包线13在骨架16的线槽20内缠绕并在相等匝数处抽头的绕制方法，实验证明每隔10匝抽头效果较好，既可以在数字存储示波器6上获得理想波形，又不会使总匝数过多。线槽20越窄，漆包线13越细，测量结果越精确，但是对工艺要求也越高，所以线槽20的宽度在1-2毫米之间，漆包线13的直径在0.1-0.2毫米之间，可以保证每10匝刚好布满一层，便于在边缘处抽头。各抽头通过骨架16上的穿线槽21绕到接线盘15的下面焊接在探针14上，此方法可以保护极细的漆包线13不易在频繁的使用中被拉断。接线盘15与骨架16采用热熔胶17胶合或螺丝固定的方法合为一体，骨架16预留了胶合槽22，热熔胶17灌入胶合槽22和穿线槽21后，可以保证接线盘15不松动。为了可以上下移动多抽头感应线圈2，骨架16还开有三个螺丝孔，可根据摩擦力的需求配备圆柱形橡胶垫19和摩擦力调节螺丝18。本发明为了清楚地说明该装置的使用方法，采用了两个多抽头感应线圈2，对于采用单个或多个多抽头感应线圈2的装置均落在本发明的保护范围内。
图4是图3所示多抽头感应线圈骨架示意图。骨架16可以采用有机玻璃或塑料经车床加工而成，骨架16内径略大于导管3的外径。骨架16上的穿线槽21可以采用刀口宽度为2毫米的平口或半圆口凿子加工。
图5是图3所示多抽头感应线圈接线盘示意图。该接线盘15由覆铜板制成且为圆环形状，其下表面八个面积较大的独立导电区域(见(a)图)，分别连接多抽头感应线圈2的各个抽头，同时起着固定探针14的作用。接线盘15的上表面喷涂或印制线圈符号和数字(见(b)图)。数字存储示波器6信号线末端鳄鱼夹夹在探针14上，所以探针14要有一定的硬度和直径，可采用成品接插件内的插针替代。
掌握使用方法，可以更好地理解本发明的构思并对其加以实施。以下介绍几种使用方法1.验证法拉第电磁感应定律。此时采用玻璃管，把下面多抽头感应线圈拉到最下端，只使用上面单个多抽头感应线圈，把数字存储示波器与下面多抽头感应线圈相连的通道禁用。把数字存储示波器的工作状态设为“单次获取”状态。每次圆柱形永久磁铁下落后改变一次匝数，即可得到图6所示曲线；每次圆柱形永久磁铁下落后等距离下降多抽头感应线圈，圆柱形永久磁铁通过多抽头感应线圈的速度也变快，即可得到图7所示曲线。验证了感应电动势与匝数和磁通量变化率的关系。
2.把圆柱形永久磁铁N极、S极分别朝下降落，即可得到图8所示曲线。验证了楞次关于闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化这一结论。
3.保持上面多抽头感应线圈不动，下面多抽头感应线圈移动两次，用数字存储示波器分别测出圆柱形永久磁铁经过多抽头感应线圈两个不同间距所用的时间，同时量出对应的间距，即可求出重力加速度。
4.把玻璃管换成铜管或铝管，当圆柱形永久磁铁穿过铜管或铝管自由下落时，铜管或铝管产生的电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化，也就是会产生一个向上的反作用力阻止圆柱形永久磁铁下落，直至圆柱形永久磁铁达到匀速下降状态，使用两个多抽头感应线圈测出此速度，就可以推知感应电流和反作用力的大小。
还可以进行多项实验，不再一一列出。
权利要求
1.一种电磁感应综合实验装置，它包括磁铁和线圈，其特征在于所述磁铁是圆柱形永久磁铁(1)，而所述线圈是多抽头感应线圈(2)；圆柱形永久磁铁(1)在重力作用下穿过固定在专用支架(4)上且直立的导管(3)自由下落至磁铁吸附垫(5)；设置在导管外且可以上下移动的两个多抽头感应线圈(2)把圆柱形永久磁铁(1)经过时所产生的感应电动势的全部变化过程传给数字存储示波器(6)的两个通道供其显示并储存。
2.按照权利要求1所述的电磁感应综合实验装置，其特征在于所述专用支架(4)采用中空结构，使圆柱形永久磁铁(1)可以穿过基座(12)下落至地面；三个地脚螺丝(9)用于调节导管(3)的垂直；固定导管(3)的套管(7)外面加装两个紧固圈(8)，紧固圈(8)上面设有紧固螺丝(10)和圆柱形橡胶垫(11)。
3.按照权利要求1所述的电磁感应综合实验装置，其特征在于所述多抽头感应线圈(2)由骨架(16)、漆包线(13)、接线盘(15)、探针(14)、圆柱形橡胶垫(19)和摩擦力调节螺丝(18)组成。
4.按照权利要求1所述的电磁感应综合实验装置，其特征在于所述圆柱形永久磁铁(1)的直径为10毫米，长度为10-20毫米。
5.按照权利要求1所述的电磁感应综合实验装置，其特征在于所述导管(3)的外径为15毫米，内径为12毫米，长度为1-1.5米。
6.按照权利要求1和3所述的电磁感应综合实验装置，其特征在于所述多抽头感应线圈(2)使用的骨架(16)之线槽(20)的宽度在1-2毫米之间。
7.按照权利要求1和3所述的电磁感应综合实验装置，其特征在于所述多抽头感应线圈(2)使用的漆包线(13)的直径在0.1-0.2毫米之间。
8.按照权利要求1和3所述的电磁感应综合实验装置，其特征在于所述多抽头感应线圈(2)使用的接线盘(15)是圆环形状，上表面喷涂或印制线圈符号和数字。
9.一种制造权利要求1所述的电磁感应综合实验装置之多抽头感应线圈(2)的方法，其特征在于所述多抽头感应线圈(2)是按照下列工艺步骤制得的，骨架(16)采用有机玻璃或塑料经车床加工而成，除了加工线槽(20)外，还要预留胶合槽(22)；穿线槽(21)采用刀口宽度为2毫米的平口或半圆口凿子加工，每隔10匝抽取的线头通过骨架(16)上的穿线槽(21)绕到接线盘(15)的下面焊接在探针(14)上，接线盘(15)与骨架(16)采用热熔胶(17)胶合，热熔胶(17)灌入胶合槽(22)和穿线槽(21)后，可以保证接线盘(15)不松动。
10.一种制造权利要求1所述的电磁感应综合实验装置之专用支架(4)的方法，其特征在于所述专用支架(4)的是按照下列工艺步骤制得的，在专用支架(4)的套管(7)上预先加工两个孔，其直径大于紧固圈(8)的螺丝孔，两部件套装后使两孔同心，采用焊接方法组合，套管(7)和基座(12)也采用焊接方法组合。
全文摘要
本发明公开了一种可以获得并记录电磁感应过程的全部信息供人们分析研究的电磁感应综合实验装置，该装置使用的圆柱形永久磁铁(1)在重力作用下穿过固定在专用支架(4)上且直立的导管(3)自由下落至磁铁吸附垫(5)；设置在导管外且可以上下移动的两个多抽头感应线圈(2)把圆柱形永久磁铁(1)经过时所产生的感应电动势的全部变化过程传给数字存储示波器(6)的两个通道供其显示并储存。本发明同时公开了专用支架和多抽头感应线圈的制造方法。该装置结构简单，操作方便，在量化研究法拉第电磁感应定律和楞次定律的同时，实现了对重力、磁力等物理量的测量。
文档编号G09B23/00GK101055676SQ200610169170
公开日2007年10月17日 申请日期2006年12月19日 优先权日2006年12月19日
发明者张爱军 申请人:中国海洋大学