自制实验仪器演示涡流热效应现象||实验研究
自制实验仪器演示涡流热效应现象
江苏省南通市海安县曲塘中学
浙江宁波北仑明港高级中学
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;
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。
图1 实验仪器电原理图
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160μH电感和电源正极之间作为缓冲。LC阻抗限制着实际的电流 (160μH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470Ω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160μH电感线圈对称插入 (电磁炉专用黄白电感) ;
第7步:插入一个0.33μF 1200 V电容 (电磁炉谐振电容) ;
第8步:在两个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。
图2 电路板上的元件布局
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)
图3 将金属加热的照片
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。