利用發光二極管演示電磁感應科學小實驗
有項非常簡易的實驗常被用來演示電磁感應。此實驗只需:長度約
圓柱狀磁鐵和無磁性之圓柱體通過金屬圓管所費時間差異之大,無須使用任何儀器即能清楚分辨,令人驚奇,所用之器材又簡單明瞭,更鮮明地突顯實驗之主題,很容易引起學生之注意和好奇,並使學生留下深刻印象。於是這項實驗在教學上頗受重視,有不少改進的實驗方式被提出,例如:利用“力偵測器”配合計算機測量金屬管所受之力隨時間變化的情形,以定量測量金屬管壁內的感應電流和磁鐵之間的交互作用力;或以輕細繩索繫住磁鐵,將輕細繩索繞過滑輪,當磁鐵落下時,根據滑輪轉速即可測知磁鐵速度隨時間變化的情形;或從管口取景,藉攝影器材和適當之照明設備,在與其聯機的電視中“轉播”磁鐵在金屬管中憑虛凌空慢慢落下的景象1。
美中不足的是,感應電流出現在金屬管壁鄰近不斷下墜的磁鐵兩極處,不容易設計適當的裝置加以偵測。為此,我們將兩導通方向相反的發光二極管並聯,再將其串接箍在壓克力圓管外之感應線圈1。學生可以目睹,磁鐵在透明壓克力管中墜落而通過感應線圈時,並聯的兩發光二極管各自分別發光,非但顯示感應電流之發生,且顯示感應電流之方向;在此同時,學生握持壓克力管,也可感覺到感應電流和磁鐵之間的交互作用力,如下圖一所示。
圖一,原始裝置之實物攝影,只用兩個導通方向相反的發光二極管並聯
[1][2]
周鑑恆博士專欄
這項實驗裝置還可再改良:(一)以導通方向相反的方式並聯的發光二極管數目可以增加,圖二為其電路之示意圖。只要線圈之電阻夠小,在稀土強磁運動速度不快的實驗要求下(若磁鐵速度太快,肉眼不易分辨兩組發光二極管發光之先後),即能造成發光二極管兩端約2伏特之電位差,則發光二極管之數目可以酌增,圖三所示之實物,每組發光二極管多達四個,實驗時大幅增加此裝置之視覺效果。(二)因為感應線圈串接發光二極管之總電阻,遠大於鋁管或銅管之管壁,雖然以手握持壓克力管時,確能感覺到感應電流和磁鐵之間的交互作用力,惟此力尚不足以明顯阻緩磁鐵於壓克力管中垂直下墜之速度。圖四之設計,利用較磁鐵稍輕的配重,使磁鐵通過感應線圈時所產生的感應電流,可以明顯減緩磁鐵落下之速度。對比感應線圈斷路(即無感應電流)時磁鐵落下之速度,可彰顯磁剎車之效應。此外,如圖五,簡單斜置壓克力圓管,亦有相同之效果。
圖二,並聯兩組導通方向相反的發光二極管之電路圖,每組發光二極管最多可達4至5個
圖三,兩組導通方向相反的發光二極管之實物攝影,視覺效果果然更好
圖四,配重有助於突顯出磁剎車之作用
圖五,斜置壓克力圓管。圖中阿拉伯數字代表之意義,與圖四同
註釋:
1見:周鑑恆,劉源俊,楞次定律(Lenz’sLaw)教學裝置之改進,物理教育,1998年第二卷第二期;以及文中所列之參考數據。
責編:劉麗
(原載:東吳大學網站,
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