交流发电机原理演示仪的改进设计
邱林瑜 程敏熙 黎雪明 彭艺
摘 ?要：中学交流发电机演示装置存在局限与不足，笔者创新与制作了新的交流发电机演示仪。该演示仪利用直流电机带动发电机线圈匀速转动，结合单片机和Matlab软件实时显示交流电压图像，使交变电流可视化，并采用51单片机控制线圈处于中性面与非中性面位置时两串灯带的亮暗，更好地演示发电机产生交流电的原理。
关键词：发电机;交变电流;单片机;二极管;Matlab
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ?文章编号：1003-6148（2020）10-0050-3
交变电流是高中物理电磁学的重点内容之一。新课标要求学生能通过实验认识交变电流，并能用公式和图像描述正弦交变电流[1]。人教版教材中用手摇发电机实验探究交变电流的变化规律[2]。笔者認为，教材中的实验现象不明显，自制了新的交流发电机演示仪，对交流发电机演示实验进行了的改进。
1 ? ?中学原用交流发电机的不足
中学原用交流发电机存在装置较小，学生不易看清内部结构、制作存在诸多局限等问题。
2 ? ?改进发电机演示仪的原理结构
2.1 ? ?交流发电机演示仪的原理
由法拉第电磁感应定律和楞次定律的相关知识可知，当线圈在匀强磁场中匀速转动时，由于穿过闭合线圈的磁通量会发生周期性变化，从而产生大小和方向周期性变化的感应电流，而且感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化[4]。
2.2 ? ?交流发电机演示仪的结构
改进的发电机演示仪是将12块长50 mm、宽10 mm、厚5 mm的长方形强力磁石按极性粘贴在亚克力支架上用来模拟匀强磁场。把透明亚克力管作为转轴并穿过透明线圈框架，在亚克力线圈框架上将0.3 mm的漆包线绕1000匝做成矩形线圈，并将线圈两端与集电环相接，线圈转轴组、轴承组、集电环、电刷、支架等组装后放置在强磁铁中间。转轴一端接入手摇柄，另一端通过万向轴与直流电机相连，这就构成发电机演示仪的基本结构。手摇或电机带动线圈转动，即可在电刷输出端产生交流电。自制发电机演示仪实物结构如图3所示。
本演示仪有两项创新的改进设计：一是制作交流电规律演示面板，由两组反向并联红、绿发光二极管的外电路与数据处理器组成。外电路可用于检测交流电的方向。数据处理器是通过32单片机ADC模块测出电刷输出端的电压值，并将数据通过串口传输到电脑，最后在Matlab软件实时显示出交流电压随时间变化的图像。二是在线圈外围接入反向并联的两串LED灯带，固定光敏传感器与激光的位置，利用激光以及光敏电阻传感器检测线圈转动位置信息，并将信息传输到51单片机使其控制线圈处于中性面与非中性面位置时两串灯带的亮暗，实现线圈处于中性面位置时LED灯不亮，经过中性面位置后LED灯带亮的颜色发生改变的功能。演示仪原理图如图4所示。
3 ? ?交流发电机演示仪的操作步骤
3.1 ? ?手摇发电机实验
将发电机电刷的输出端（两线）接入“交变电流规律演示面板”中“交变电流方向”模块中的接线柱，与两组反向并联发光二极管（红灯、绿灯）相连。转动手摇杆，使线圈在磁场中做切割磁感线运动，观察两组反向并联二极管的发光情况，可发现两组发光二极管是交替发光的（图5、6），由此说明发电机产生的电流方向是随时间不断变化的。
3.2 ? ?交流电变化规律实验
将发电机电刷输出端（两线）接入“交变电流规律演示面板”中“交变电流物理量”模块中的接线柱，与电脑进行连接。打开电脑中的Matlab软件，启动电机开关，利用电机实现线圈在磁场中以恒定角速度做切割磁感线运动，并观察电脑Matlab软件实时显示的交流电压随时间变化的图像，可观测到交流电压随时间变化的图像是正弦图像（图7），并显示描述交流电的峰值、周期，这说明发电机产生电流的大小、方向都是呈周期性规律变化的。
3.3 ? ?发电机原理演示
启动51单片机开关及激光开关，缓慢转动手摇杆，让线圈从中性面位置开始，逆时针在磁场中转动一圈（360°），观察此过程中线圈外围的两组LED灯带亮暗情况。同时，教师配合教材图示（图8）引导学生分析线圈每转动90°产生电流的大小与方向，可先分析线圈在匀强磁场中转动时磁通量的变化，从而判断线圈产生的感应电动势大小变化，结合右手定则即可判断线圈中感应电动势的方向。
当线圈处于中性面位置时，可观察到两串灯带都不亮，如图9所示。当线圈从中性面位置逆时针旋转90°到垂直中性面位置过程中，可观察到绿灯亮（图10），继续旋转90°过程中仍然是绿灯亮，但再次处于中性面位置时，两串灯带都不亮。线圈接着从中性面位置旋转90°到垂直中性面位置的过程中，可观察到红灯亮（图11），继续旋转90°过程中仍然是红灯亮，但回到中性面位置时，两串灯带都不亮。线圈处于中性面位置时两串灯带都不亮，经过中性面位置后，亮的灯带颜色由绿色变为红色，这一演示现象符合发电机产生交流电的原理，可以配合教师运用楞次定律讲解、分析发电机原理，帮助学生理解和记忆“线圈处于中性面位置时不产生电流;线圈经过中性面位置，电流方向会改变一次”的物理知识。
4 ? ?小 ?结
（1）演示仪构造整洁，多采用透明的亚克力板作支撑，可视化高，既能实现手摇发电，也能利用电机带动其转动。手摇发电机产生的交流电可利用线圈接入并联的多个红绿二极管发光情况来判断电流的方向，使学生从视觉上直观、清晰地观察到感应电流方向在不断地做周期性变化。
（2）演示仪采用直流电机带动线圈在磁场中匀速转动，利用32单片机记录交流电压数据，并在电脑的Matlab软件实时显示交流电压随时间变化的图像，波形贴近理想正弦交流电。通过线圈转动过程中电压波形图使交流电可视化，帮助学生同时观察交流电大小与方向的变化规律。
（3）由于演示仪线圈形状与教学线圈图示相匹配，本仪器能形象地演示线圈在匀强磁场中匀速转动一周的过程，并利用51单片机控制LED灯带在中性面与非中性面处的亮灯情况，配合教师直观分析线圈位置与产生电流方向的对应关系，帮助学生把物理过程和规律对应起来，深刻理解发电机产生交变电流的原理。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.
[2]张大昌.普通高中物理课程标准实验教科书物理选修3-2（第2版）[M].北京：人民教育出版社，2006.
[3]郭春姗. 高中物理教学中发电机模型的改进创新——便携式发电机原理形象演示仪的研制[J].教育与装备研究， 2014（2）：30-31.
[4]汤廷，代伟，段晨靓，等.交流电大小、方向变化演示仪[J].大学物理实验，2016，29（2）：75-77.
（栏目编辑 ? ?王柏庐）
