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标题 自制实验仪器演示涡流热效应现象
范文

    刘春慧+张洪明

    摘 要:本文介绍了一个自制实验来演示涡流的热效应现象,利用简单的实验器材产生高频低压振荡电流,对线圈内的被感应金属加热,演示涡流的热效应。

    关键词:电磁感应;涡流;自感;涡流热效应

    中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2017)6-0054-3

    人教版教材物理选修3-2第4章第7节《涡流电磁阻尼电磁驱动》的第一部分涡流,教材上讲解了涡流的防止和利用,可以利用涡流现象进行真空冶炼。这个实验要求的条件在实际课堂教学中不容易达到。笔者通过研究制作出类似的实验仪器,成功演示了涡流的热效应。方法介绍如下:

    1 实验器材

    实验所需要的器材如表1所示。

    2 实验原理

    用旧电脑电源变压器的一组输出电源作为本实验仪器的电源电压。当电源电压作用于

    +12 V,电流开始同时通过两侧的初级并施加到IRFP260的漏极(D)上。电压会同时出现在IRFP260的门极(G)上并开始将IRFP260开启。因为没有任何两个元件是完全一样的,一个IRFP260比另一个开得快一些,更多的电流将流过这个IRFP260。通过导通侧初级绕组的电流将另一侧IRFP260的门极电压拉低并开始关断它。图1中电容和初级的电感发生LC谐振并使电压按正弦规律变化。如果没有这个电容,通过IRFP260的电流会一直增大,IRFP260将被烧毁。

    假设Q1首先开启。当Z点电压跟着LC谐振的半个周期上升到峰值再回调时,Y点电压会接近0。随着Z点电压下降到0,Q1的门极(G)电压消失,Q1关闭。同时Q2开启,此时Y点电压开始上升。Q2的导通把Z点电压拉低到接近地,这可以确保Q1完全关断。Q2完成LC振荡的半周后会重复同样的过程,此振荡器继续循环工作。为了防止电路从电源拉取巨大的峰值电流而损坏,增加了160 μH电感和电源正极之间作为缓冲。LC阻抗限制着实际的电流(160 μH电感只是减少峰值电流,因为电感有续流作用)。

    简单说就是振荡后升压,利用二极管对两个IRFP260的G极扯来扯去,一个升高另外一个被降低停止工作,再利用LC并联振荡电路产生正弦高频电流在次级线圈可以对物体感应加热。

    3 实验制作

    第1步:将一个IRFP260,10 kΩ电阻,接线端子插到PCB板子上;

    第2步:对称地在左边也插上另一个IRFP260,

    10 kΩ电阻;

    第3步:在10 kΩ点击下面插入两个12 V稳压二极管(黑色环为二极管负极);

    第4步:在12 V稳压二极管下面对称插入两个470 Ω电阻;

    第5步:在中间位置插入两个快速恢复二极管(银色环一端为二极管负极,黑色为正极);

    第6步:将两个160 μH电感线圈对称插入(电磁炉专用黄白电感);

    第7步:插入一个0.33 μF 1200 V电容(电磁炉谐振电容);

    第8步:在兩个IRFP260后面加上散热片。

    如图2所示,在焊接的时候注意先构思好每个元件在电路板上的位置,逐个先焊接到电路板上,最后在根据走线用焊锡覆盖,由于实验过程电流较大所以走线的焊锡要够厚。

    由于本实验的特点是低电压大电流,实验室一般的常用电源在电流过大时会过流保护,所以本实验使用电脑开关电源。各种颜色对应的电压为黄色:+12 V,土黄色+3.3 V,橙色+5 V,黑色(负极)接地线,绿色(和黑色短接即可重启电源供电)开机信号线,蓝色-12 V,白色-5 V,紫色+5 V。实验时从黄色和黑色线取出直流电,电脑电源本身有过流保护,电源过流保护后在第二次使用时需要将绿色和黑色短接启动电源。

    4 实验效果

    接通电源将螺丝刀或者壁纸刀放入到线圈内部不到一分钟,就可以将金属加热得通红,实验效果如图3所示。(精心操作,注意安全)

    5 实验优点

    (1)本实验结构简单,电路图容易理解,有很强的可操作性。

    (2)本实验体积小巧,整个装置最大长度不超过15 cm,便于携带和储藏。

    (3)本实验效果明显,在不到一分钟的时间内就可以把螺丝刀加热到通红,视觉冲击明显。

    (4)本实验可视性强,将装置放到投影仪下面

    可以使所有学生都观察到实验现象。

    (5)笔者研制实验的过程中还参考了“淘宝网”上的资料(例如ZVS感应加热),并在网上购买了元件套件。笔者个人还主办微信公众号“趣味科学实验qwkxsy”,并获得课件评比全国二等奖。

    参考文献:

    [1]张洪明.利用实验解决高中物理教学难点分析[J].物理教学,2015(7):25.

    [2]张洪明.自制电动机[J].物理教学,2015(11):78

    [3]张洪明.利用智能手机做物理实验[J].物理教学,2016(3):30.(栏目编辑 王柏庐)

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更新时间:2025/3/11 22:33:40