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电磁跳环演示实验报告
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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。对于导体回路是N匝线圈,定义全磁通:,其中为通过线圈第匝的磁通量。对于各匝线圈磁通量相同的特别情形,则有。
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。
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。
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、,观察实验现象,比较、的大小。
现象:。
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。
解释2: 由法拉第电磁感应定律可知,。由于A环没有小孔而B环钻有许多小孔,这样穿过A环的净磁通量大于穿过B环的净磁通量,因此当电流变化而引起磁场变化时,将会有,而交流电的变化频率相同,即,故。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。
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;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,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
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