一种定量探究安培力的演示装置的制作方法

1.本实用新型涉及演示教具技术领域，涉及一种定量探究安培力的演示装置，尤其涉及一种利用辐向磁场来定量探究安培力的演示装置。


背景技术：

2.圆形线圈套在辐向永久磁铁槽中，磁场的磁感线均沿半径方向均匀分布，此时形成的磁场就叫辐向磁场。辐向磁场特点是：距轴线等距离处的磁感应强度的大小总是相等的，磁感线总是沿着轴向均匀分布；它有两种形式，一种形式为图1所示的n—s、n—s或s—n、s—n形式的辐向磁场，另一种为图2所示的n—s、s—n或s—n、n—s形式的辐向磁场。
3.根据辐向磁场的特点，如果在图1所示的辐向磁场中放置一通电线圈。则通电线圈会受到一个扭转的安培力，具体应用如电磁式仪表中。如果在图2所示的辐向磁场中放置一通电线圈，则通电线圈会受到一个推拉的安培力，具体应用如电动式扬声器中。
4.安培力为：在匀强磁场中，当通电导线与磁场的方向垂直时，电流所受的安培力f等于磁感强度b、电流i和导线通电部分长度l三者的乘积。图2所示的辐向磁场中，距轴线等距离处的磁感应强度大小相等，相当于匀强磁场，通电线圈在磁场中产生推拉的安培力，是我们比较容易做到定量探究安培力的，但目前还没有利用辐向磁场定量探究安培力的演示装置。因此，我们利用辐向磁场制作了一种定量探究安培力的演示装置，结构更加简单，操作更加方便、直观；在教学中通过本装置进行演示，可以使得学生能够更加直观地理解安培力，有助于提高教学质量。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是为了解决现有技术的不足，提供了一种定量探究安培力的演示装置，利用辐向磁场定量探究安培力，结构更加简单，操作更加方便、直观，在教学中通过本装置进行演示，可以使得学生能够更加直观地理解安培力，有助于提高教学质量，从而能有效的解决现有技术中存在的问题。
6.本实用新型是通过以下技术方案实现：
7.一种定量探究安培力的演示装置，包括工作台和可跟踪直流稳定电源,所述工作台上设置有电流表、可调电源、电磁铁、支撑架、通电线圈以及微型电子秤；所述可调电源与所述电磁铁电性连接，用于向所述电磁铁供电形成辐向磁场；所述电流表用于测量所述电磁铁中流过的电流值；所述电磁铁包括铁芯以及外侧面缠绕有第一线圈的骨架，所述骨架的中间设置有沉槽，所述铁芯设置在所述沉槽的中间，并且两者之间设置有工作间隙；所述微型电子秤设置在所述支撑架上，所述通电线圈悬挂在所述微型电子秤的称重端，所述支撑架用于将所述微型电子秤支撑在所述电磁铁的上方，并使得所述通电线圈位于所述工作间隙中；所述可跟踪直流稳定电源与所述通电线圈电性连接，用于向所述通电线圈供电。
8.进一步，根据本实用新型的定量探究安培力的演示装置，所述骨架包括下盖板、上盖板以及连接管，所述下盖板与上盖板均采用铁板制成，并呈圆形结构，所述下盖板固定在
所述连接管的下端，所述上盖板固定在所述连接管的上端，并且三者同轴；所述上盖板的中间设置有通孔，所述上盖板通过所述通孔与所述连接管以及所述下盖板形成所述沉槽。
9.进一步，根据本实用新型的定量探究安培力的演示装置，所述上盖板的厚度大于所述通电线圈的高度，当所述通电线圈悬挂位于所述工作间隙中时，所述通电线圈位于所述上盖板的厚度范围内。
10.进一步，根据本实用新型的定量探究安培力的演示装置，所述工作台上还设置有继电器、开关电源以及工作开关，所述继电器为二路触头的继电器，所述开关电源与继电器电性连接，用于供电给所述继电器，所述工作开关用于控制所述开关电源与继电器之间的接通关系；所述可调电源与电磁铁之间通过所述继电器进行转换，用于改变所述电磁铁的内外磁极。
11.进一步，根据本实用新型的定量探究安培力的演示装置，所述可调电源为9-18v可调电源，包括电位器和电阻，所述电位器为10k电位器，所述电阻为2k电阻，并且两者并联连接；所述可跟踪直流稳定电源为ss系列可跟踪直流稳定电源；所述开关电源为直流12v开关电源。
12.进一步，根据本实用新型的定量探究安培力的演示装置，所述电流表与所述开关电源电性连接，所述开关电源用于向所述电流表供电。
13.进一步，根据本实用新型的定量探究安培力的演示装置，所述通电线圈包括四个接触头，分别是起始端接触头、线圈五匝处抽出接触头、线圈十匝处抽出接触头以及线圈十五匝处抽出接触头，所述可跟踪直流稳定电源通过一根连接导线与所述通电线圈上的所述起始端接触头电性连接，并通过另一根连接导线与所述通电线圈上的所述线圈五匝处抽出接触头或线圈十匝处抽出接触头或线圈十五匝处抽出接触头电性连接。
14.进一步，根据本实用新型的定量探究安培力的演示装置，所述通电线圈与所述可跟踪直流稳定电源之间还设置有转换开关，所述转换开关用于切换所述通电线圈与所述可跟踪直流稳定电源电性连接的线圈匝数。
15.进一步，根据本实用新型的定量探究安培力的演示装置，所述转换开关设置在所述支撑架上。
16.进一步，根据本实用新型的定量探究安培力的演示装置，所述微型电子秤的称重端设置有安装板，所述安装板上设置有至少两个的悬挂件，所述悬挂件用于悬挂所述通电线圈。
17.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：利用辐向磁场定量探究安培力，结构更加简单，操作更加方便、直观，在教学中通过本装置进行演示，可以使得学生能够更加直观地理解安培力，有助于提高教学质量，从而能有效的解决现有技术中存在的问题。
附图说明
18.图1为背景技术中n—s、n—s或s—n、s—n形式的辐向磁场。
19.图2为背景技术中n—s、s—n或s—n、n—s形式的辐向磁场。
20.图3为本实用新型的正视图。
21.图4为本实用新型中电磁铁的分解图。
22.图5为本实用新型中可调电源、电磁铁、电流表、继电器、工作开关以及开关电源之
间的电气原理图。
23.图6为本实用新型的立体图。
24.图7为图6中支撑架部分的结构放大图。
25.图8为市场购买的直流输出12v20a开关电源的电路图。
26.图中：
27.工作台1，电流表11，可调电源12，电磁铁13，铁芯131，第一线圈132，骨架133，下盖板1331，上盖板1332，连接管1333，支撑架14，通电线圈15，起始端接触头151，线圈五匝处抽出接触头152，线圈十匝处抽出接触头153，线圈十五匝处抽出接触头154，微型电子秤16，安装板161，悬挂件1611，继电器17，开关电源18，工作开关19，可跟踪直流稳定电源2，沉槽3，工作间隙4，转换开关5。
具体实施方式
28.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
29.请参阅图1-7，本实用新型提供一种技术方案：
30.一种定量探究安培力的演示装置，包括工作台1和可跟踪直流稳定电源2,工作台1上设置有电流表11、可调电源12、电磁铁13、支撑架14、通电线圈15以及微型电子秤16；可调电源12与电磁铁13电性连接，用于向电磁铁13供电形成辐向磁场；电流表11用于测量电磁铁13中流过的电流值；电磁铁13包括铁芯131以及外侧面缠绕有第一线圈132的骨架133，骨架133的中间设置有沉槽3，铁芯131设置在沉槽3的中间，并在两者之间设置有工作间隙4；微型电子秤16设置在支撑架14上，支撑架14用于将微型电子秤16支撑在电磁铁13的上方；通电线圈15悬挂在微型电子秤16顶部设置有的安装板161上，并使得悬挂的通电线圈15位于工作间隙4中；可跟踪直流稳定电源2与通电线圈15电性连接，用于向通电线圈15供电。具体地，可调电源12为9-18v可调电源，包括电位器和电阻，并且电位器与电阻并联。本实施例中，为了节省成本，可调电源12由市场上购买的直流输出12v20a开关电源改造而成，如图8所示为购买的直流输出12v20a开关电源的电路图，主要包括保险丝fu、整流桥d1-d4、变压器t、开关管g1、uc3842、微调电阻w1、多个电阻、多个二极管和多个电容，微调电阻w1用于调整电压，这里要注意的是，只需要拆除微调电阻w1，并使用一只10k电位器并联一只2k电阻接到微调电阻w1的位置，即可获得9-18v可调电源。另外，电磁铁13的制作具体为，先制作骨架133，骨架133包括下盖板1331、上盖板1332以及连接管1333组成，下盖板1331与上盖板1332均采用铁板制成，并呈圆形结构，下盖板1331固定在连接管1333的下端，上盖板1332固定在连接管1333的上端，并且三者同轴；上盖板1332的中间设置有通孔，上盖板1332通过该通孔与连接管1333以及下盖板1331形成沉槽3，铁芯131固定在沉槽3的中间，并在两者之间设置有工作间隙4；第一线圈132由2公斤直径1.5mm的漆包线在连接管1333一层一层平绕形成；为了美观上盖板1332与下盖板1331之间可通过绝缘纸进行包裹，即完成电磁铁13的制作。支撑架14由塑料板制成，支撑架14放置在电磁铁13顶部的上盖板1332上，微型电子秤16固定在支撑架14的顶部，并通过支撑架14支撑在沉槽3的正上方，安装板161设置在微型电
子秤16的顶部，为了防止安装板161从微型电子秤16上掉落，安装板161可以通过胶水粘固在微型电子秤16的顶部；另外为了方便悬挂通电线圈15，安装板161上设置有至少两个的悬挂件1611，悬挂件1611用于将通电线圈15悬挂在安装板161的下方；当支撑架14放置在电磁铁13顶部时，悬挂的通电线圈15位于工作间隙4中；通电线圈15采用直径0.96mm漆包线在圆管上密绕设定匝数，后用胶水固定线圈，脱胎后即可，这里要注意的是获得的通电线圈15的内径要大于缠绕有第一线圈132的连接管1333，同时通电线圈15的外径要小于沉槽3，从而方便通电线圈15插入工作间隙4；可跟踪直流稳定电源2采用ss系列可跟踪直流稳定电源，优选ss1792f可跟踪直流稳定电源，方便调整输出电流，获得不同强度的安培力。
31.另外，为了提高试验演示操作的准确性，上盖板1332的厚度大于通电线圈15的高度，当通电线圈15悬挂位于工作间隙4中时，通电线圈15位于上盖板1332的厚度范围内。
32.进一步地，为了方便对不同长度的通电导线进行试验演示，通电线圈15包括四个接触头，分别是起始端接触头151、线圈五匝处抽出接触头152、线圈十匝处抽出接触头153以及线圈十五匝处抽出接触头154；可跟踪直流稳定电源2通过一根连接导线与通电线圈15上起始端接触头151电性连接，并通过另一根连接导线与通电线圈15上线圈五匝处抽出接触头152或线圈十匝处抽出接触头153或线圈十五匝处抽出接触头154电性连接，实现可跟踪直流稳定电源2与不同线圈匝数的通电线圈15电性连接，从而满足对不同长度的通电导线进行试验演示。
33.进一步地，为了方便在不同长度的通电导线之间进行切换，在通电线圈15与可跟踪直流稳定电源2之间还设置有转换开关5，转换开关5用于切换通电线圈15与可跟踪直流稳定电源2电性连接的线圈匝数；通过转换开关5进行切换，避免人工进行更换连接，节省试验时间。本实施例中，转换开关5可拆卸地的设置在支撑架14上。
34.进一步地，工作台1上还设置有继电器17、开关电源18以及工作开关19，继电器17为二路触头的继电器，开关电源18与继电器17电性连接，用于供电给继电器17，工作开关19用于控制开关电源18与继电器17之间的接通关系；可调电源12与电磁铁13之间通过继电器17进行转换，用于改变电磁铁13的内外磁极。本实施例中，开关电源18采用直流12v开关电源，并设置在工作台1底部设置的凹槽中，开关电源18沉在凹槽中，避免工作台1放置时，开关电源18与放置面接触导致放置不平稳；开关电源18还可与电流表11电性连接，用于向电流表11供电；当需要改变电磁铁13的内外磁极时，打开工作开关19，开关电源18与继电器17之间接通。
35.演示时，将可跟踪直流稳定电源2与可调电源12分别与外部电源连接，由外部电源供电给可跟踪直流稳定电源2与可调电源12，电磁铁13工作形成辐向磁场，通过转换开关5切换选择不同线圈匝数的通电线圈15与可跟踪直流稳定电源2电性连接，获得的实验数据见表一、表二：
[0036][0037]
另外，还可以打开工作开关19，使得开关电源18与继电器17之间接通，改变电磁铁13的内外磁极，以演示给学生看，这里我们可以看到磁场的极性反向，通电导体中电流方向改变，安培力的方向也改变成反向，获得的实验数据与表一、表二相同，此时不敷述。
[0038]
数据分析：磁感应强度、导线长度一定，导线电流成倍提高，则安培力也成倍增加；磁感应强度、导线电流一定，导线长度成倍增加，则安培力也成倍增加；从表一、表二中看出导线长度、导线电流一定，磁感应强度翻倍，则安培力也相应增倍。所以通电导体在磁场中受到安培力的大小与磁感应强度成正比；与流过导线的电流成正比；与导线在磁场中的长度成正比(即f＝ibl)。
[0039]
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种定量探究安培力的演示装置，其特征在于，包括工作台和可跟踪直流稳定电源,所述工作台上设置有电流表、可调电源、电磁铁、支撑架、通电线圈以及微型电子秤；所述可调电源与所述电磁铁电性连接，用于向所述电磁铁供电形成辐向磁场；所述电流表用于测量所述电磁铁中流过的电流值；所述电磁铁包括铁芯以及外侧面缠绕有第一线圈的骨架，所述骨架的中间设置有沉槽，所述铁芯设置在所述沉槽的中间，并且两者之间设置有工作间隙；所述微型电子秤设置在所述支撑架上，所述通电线圈悬挂在所述微型电子秤的称重端，所述支撑架用于将所述微型电子秤支撑在所述电磁铁的上方，并使得所述通电线圈位于所述工作间隙中；所述可跟踪直流稳定电源与所述通电线圈电性连接，用于向所述通电线圈供电。2.根据权利要求1所述的定量探究安培力的演示装置，其特征在于，所述骨架包括下盖板、上盖板以及连接管，所述下盖板与上盖板均采用铁板制成，并呈圆形结构，所述下盖板固定在所述连接管的下端，所述上盖板固定在所述连接管的上端，并且三者同轴；所述上盖板的中间设置有通孔，所述上盖板通过所述通孔与所述连接管以及所述下盖板形成所述沉槽。3.根据权利要求2所述的定量探究安培力的演示装置，其特征在于，所述上盖板的厚度大于所述通电线圈的高度，当所述通电线圈悬挂位于所述工作间隙中时，所述通电线圈位于所述上盖板的厚度范围内。4.根据权利要求1所述的定量探究安培力的演示装置，其特征在于，所述工作台上还设置有继电器、开关电源以及工作开关，所述继电器为二路触头的继电器，所述开关电源与继电器电性连接，用于供电给所述继电器，所述工作开关用于控制所述开关电源与继电器之间的接通关系；所述可调电源与电磁铁之间通过所述继电器进行转换，用于改变所述电磁铁的内外磁极。5.根据权利要求4所述的定量探究安培力的演示装置，其特征在于，所述可调电源为9-18v可调电源，包括电位器和电阻，所述电位器为10k电位器，所述电阻为2k电阻，并且两者并联连接；所述可跟踪直流稳定电源为ss系列可跟踪直流稳定电源；所述开关电源为直流12v开关电源。6.根据权利要求4所述的定量探究安培力的演示装置，其特征在于，所述电流表与所述开关电源电性连接，所述开关电源用于向所述电流表供电。7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的定量探究安培力的演示装置，其特征在于，所述通电线圈包括四个接触头，分别是起始端接触头、线圈五匝处抽出接触头、线圈十匝处抽出接触头以及线圈十五匝处抽出接触头，所述可跟踪直流稳定电源通过一根连接导线与所述通电线圈上的所述起始端接触头电性连接，并通过另一根连接导线与所述通电线圈上的所述线圈五匝处抽出接触头或线圈十匝处抽出接触头或线圈十五匝处抽出接触头电性连接。8.根据权利要求7所述的定量探究安培力的演示装置，其特征在于，所述通电线圈与所述可跟踪直流稳定电源之间还设置有转换开关，所述转换开关用于切换所述通电线圈与所述可跟踪直流稳定电源电性连接的线圈匝数。9.根据权利要求8所述的定量探究安培力的演示装置，其特征在于，所述转换开关设置在所述支撑架上。
10.根据权利要求1所述的定量探究安培力的演示装置，其特征在于，所述微型电子秤的称重端设置有安装板，所述安装板上设置有至少两个的悬挂件，所述悬挂件用于悬挂所述通电线圈。

技术总结
本实用新型公开了一种定量探究安培力的演示装置，工作台上设置有电流表、可调电源、电磁铁、支撑架、通电线圈以及微型电子秤；可调电源与电磁铁电性连接，用于向电磁铁供电形成辐向磁场；电流表用于测量电磁铁中流过的电流值；电磁铁包括铁芯以及外侧面缠绕有第一线圈的骨架，骨架的中间设置有沉槽，铁芯设置在沉槽的中间，并且两者之间设置有工作间隙；微型电子秤设置在支撑架上，通电线圈悬挂在微型电子秤的称重端，支撑架用于将微型电子秤支撑在电磁铁的上方；并使得通电线圈位于工作间隙中；可跟踪直流稳定电源与通电线圈电性连接。本实用新型，利用辐向磁场定量探究安培力，结构更加简单，操作方便、直观，能有效解决现有技术中存在的问题。术中存在的问题。术中存在的问题。


技术研发人员：石小明 周池秀
受保护的技术使用者：江苏省丹阳高级中学
技术研发日：2023.02.09
技术公布日：2023/9/1