一种新型多功能电磁实验装置的制作方法

本实用新型属于物理教学演示教具领域，特别是涉及一种新型多功能电磁实验装置。

背景技术：

电螺线管是一种常用的器件，在电磁学各领域中广泛应用，例如可以使用电螺线管制作电磁铁等。把磁导线缠绕成螺线管形状并传导磁场，即制作成了磁螺线管，磁螺线管的直径、长度、磁导线类型等参数，并没有特别的要求，可以根据实际实验需要设定。磁螺线管与电螺线管外形相同，但电磁特性完全相反，因此两种螺线管应用领域也有较大差别。

以磁螺线管为核心，连接电螺线管、可调电源、电阻等器件，设计出一种新型多功能电磁实验装置，可以用新的方法演示电磁学中的实验内容。

技术实现要素：

本实用新型目的在于提供一种新型多功能电磁实验装置，该装置中电回路和磁回路套接，可以同时实现电磁转换与磁电转换，从而使实验装置能够用新方法演示电磁学中的一些实验内容，实现了利用一套装置演示多种实验的功能，可以用于中学物理、大学物理、电工电子等多门学科的实验教学中。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种新型多功能电磁实验装置，包括磁螺线管和电螺线管，所述磁螺线管和电螺线管分别包括直线部分和曲线部分；所述电螺线管的曲线部分缠绕在磁螺线管的直线部分；所述电螺线管的直线部分还连接有可调电源和电阻；所述磁螺线管形成磁回路；所述电螺线管、可调电源和电阻形成电回路。

优选的，所述磁螺线管由横截面积为3mm²的细硅钢丝缠绕而成。

优选的，所述电螺线管由横截面积为0.6mm²的漆包线缠绕而成。

优选的，所述电回路和磁回路在电螺线管处套接，从而形成了电-磁转换结构。

优选的，所述可调电源能够输出多种波形的电流，例如交变电流、线性变化电流。

优选的，所述电阻为10欧姆的固定电阻，其电阻阻值随温度变化改变范围小。

采用上述技术方案后，本实用新型具有的有益效果为：

（1）本新型提供的实验装置包含器件少、制作过程简单，因此学生掌握实验方法也比较容易；

（2）一套装置可以演示多个电磁学实验，从而提高了教学过程中装置的使用效率。

（3）本实验装置可以用于物理、电工电子等多个学科教学中，应用范围广泛。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2-图5是本实用新型实施例2参考示意图。

图中：1-磁螺线管，2-电螺线管，3-可调电源，4-电阻。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做进一步描述：

实施例1一种新型多功能电磁实验装置，参照图1所示，包括磁螺线管和电螺线管，所述磁螺线管和电螺线管分别包括直线部分和曲线部分；所述电螺线管的曲线部分缠绕在磁螺线管的直线部分；所述电螺线管的直线部分还连接有可调电源和电阻；所述磁螺线管形成磁回路；所述电螺线管、可调电源和电阻形成电回路。

具体地，所述磁螺线管由横截面积为3mm²的细硅钢丝缠绕而成；所述电螺线管由横截面积为0.6mm²的漆包线缠绕而成。

其中，所述电回路和磁回路在电螺线管处套接，从而形成了电-磁转换结构；两个回路的工作过程为：

电回路：可调电源、电阻、电螺线管，三种器件相互连接形成电回路，电螺线管通入电流后，产生磁场并磁化细硅钢丝；磁回路：把细硅钢丝缠绕成磁螺线管，硅钢丝的两端紧密连接形成磁回路，硅钢丝传导电螺线管产生的磁场，并在磁螺线管内部产生感应电场。

所述可调电源能够输出多种波形的电流，例如交变电流、线性变化电流；所述电阻为10欧姆的固定电阻，其电阻阻值随温度变化改变范围小。

实施例2磁螺线管感应电场计算：

用硅钢丝制作一个磁螺线管：硅钢丝横截面积s，螺线管缠绕n匝，硅钢丝内通过的磁感应强度为b。分析磁螺线管的感应电场：

(1)当硅钢丝内通入恒磁场时，周围没有感应电场，所以磁螺线管内部及周围也不存在感应电场。

(2)当硅钢丝内通入交变磁场时，周围会产生交变感应电场，所以在磁螺线管内部或者周围就会存在感应电场。

取一段漆包线和电阻丝，把漆包线缠绕成环状，一边穿过螺线管内部，另一边在螺线管外部，漆包线两端连接电阻，如图2所示：

由磁螺线管的缠绕方式和漆包线环的放置位置可知，n匝硅钢丝传导的磁通量全部通过了漆包线环，所以漆包线环内的总磁通量和感生电动势为：

(1)

(2)

若漆包线环缠绕m匝，则相当于m个电源串联，产生的感生电动势为：

(3)

磁螺线管感应出的电场使漆包线环产生感应电动势，电场可能分布在螺线管内部，也可能分布在螺线管外部。改变漆包线环的位置并计算感生电动势，通过电动势随位置的变化关系，可以推导出磁螺线管感应电场分布形态。如图3所示，把漆包线环放置在磁螺线管周围，并使螺线管的轴线平行于漆包线环构成的平面：

由磁螺线管的缠绕方式和漆包线环放置位置可知，螺线管每一匝的磁通量两次穿过漆包线环，并且穿过方向相反，所以合磁通量和感生电动势为：

(4)

(5)

漆包线环感应电动势为0，这表明磁螺线管除两个端口外，其他位置没有电场分布。再改变漆包线环的位置，如图4所示，把漆包线环放置在磁螺线管内部，并使螺线管的轴线平行于漆包线环构成的平面：

由磁螺线管的缠绕方式和漆包线环放置位置可知，没有磁通量穿过漆包线环，所以漆包线环感应电动势也为0。感应电场使漆包线环电动势为0，这表明磁螺线管内部各位置的电场大小相等、电场线相互平行，都平行于螺线管轴线。

根据磁导线内通过磁场的变化规律，并综合三种漆包线环放置方式，可以推导出磁螺线管产生感应电场的形态分布特征：

(1)当硅钢丝内通入恒磁场时，磁螺线管内部和周围没有感应电场。

(2)当硅钢丝内通入交变磁场时，磁螺线管内部感应出分布均匀的交变电场，电场的方向平行于螺线管的轴线，磁螺线管周围没有电场。感应电场的分布形态，如图5所示。

设磁螺线管的长度为l，根据(2)式计算螺线管内部感应电场的强度：

(6)

由磁螺线管产生感应电场的计算公式，并结合导线内通过磁场的方向，可以得出感应电场方向与导线内磁场方向遵循右手判定法则。

实施例3利用本装置获得恒电场的新方法：

调节电源输出线性增加电流，电螺线管内产生线性增加磁场并磁化硅钢丝，磁螺线管内部内部产生恒电场。

设电源输出电流为：

(7)

电螺线管产生感应磁场并磁化硅钢丝，设磁感应强度为：

(8)

则螺线管内部产生的感应电场强度为：

(9)

由计算式可知，硅钢丝传导线性增加的磁场时，磁螺线管内部会感应出恒电场，电场方向与硅钢丝内磁场方向遵循右手判定法则。

实施例4演示电磁转换与磁电转换：

调节电源输出多种电流模式，电螺线管产生相应变化规律的磁场，磁场经硅钢丝传导后在磁螺线管内感应出不同规律的电场。以电源输出恒电流为例演示转换过程。

设电源输出电流为：

(10)

电螺线管产生感应磁场并磁化硅钢丝，设磁感应强度为：

(11)

则螺线管内部产生的感应电场强度为：

(12)

测试电螺线管内产生的磁场，磁螺线管内产生的电场，通过对比磁场与电场的变化，演示电磁转换过程和磁电转换过程。

实施例5演示法拉第电磁感应定律

调节电源输出交变电流，电螺线管产生交变磁场，经硅钢丝传导进磁螺线管后，内部产生交变感应电场。测试感应电场随磁场的变化规律，可以演示法拉第电磁感应定律。设电源输出电流为：

(13)

电螺线管产生感应磁场并磁化硅钢丝，设磁感应强度为：

(14)

则螺线管内部产生的感应电场强度为：

(15)

测试电螺线管产生磁场的感应强度，磁螺线管产生的感应电场强度，对比两种场之间的相位与大小关系，可以演示法拉第电磁感应定律。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。