法拉第電磁感應實驗器的製作方法
2023-05-03 02:24:01
專利名稱：法拉第電磁感應實驗器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於法拉第電磁感應實驗的實驗器，尤其是能定量研究感應電動勢E與磁感應強度變化率Δ Φ / Δ t及線圈匝數η關係的法拉第電磁感應實驗器。
背景技術：
法拉第電磁感應定律要求實驗驗證電路中感應電動勢與磁通量的變化率及線圈匝數成正比，公式表述為Ε = ηΔ Φ/At。目前的定量實驗都是通過「切割磁場」的方法加以驗證，即控制Δ Φ不變，控究電動勢與1/At的關係，這樣就使得實驗的完整性不強，說服力不夠；而通過「改變磁通量大小」產生感應電動勢定量研究法拉第電磁感應定律的方法還沒見到，主要原因一是改變磁通量的裝置不易實現，特別是在特定條件下研究ΔΦ勻速變化(即Δ Φ/At為定值)的情況就更加困難；二是沒有能夠測出磁通量變化率(Δ Φ/ At)的實驗儀器。
發明內容為了克服現有的法拉第電磁感應實驗器不能定量研究感應電動勢E與磁感應強度變化率△ Φ/At的關係的問題，本實用新型提供一種既能定性又能定量研究感應電動勢E與磁通量變化率△Φ / △ t的關係的法拉第電磁感應實驗器。本實用新型的法拉第電磁感應實驗器採用以下技術解決方案該法拉第電磁感應實驗器，包括螺線管、感應線圈、磁感應強度傳感器、電壓傳感器、電壓線性變化電源、數據採集器和計算機，螺線管與電壓線性變化電源連接，感應線圈設置在螺線管外部，感應線圈內放置有用於測量感應線圈處磁感應強度的磁感應強度傳感器，感應線圈上連接有用於測量感應電動勢的電壓傳感器，磁感應強度傳感器和電壓傳感器均通過數據採集器連接至計算機，數據採集器讀取電壓傳感器和磁感應強度傳感器採集的數據，並將數據傳輸到計算機，計算機上顯示出磁感強度與電壓隨時間變化的數據曲線圖；電壓線性變化電源包括供電電路、直流主控電路、直流輸出電路、交流主控電路、 交流輸出電路和交直流轉換電路；直流主控電路的輸入端與供電電路連接，輸出端與直流輸出電路連接；交流主控電路的輸入端與供電電路連接，輸出端與交流輸出電路連接；直流輸出電路的輸出端和交流輸出電路的輸出端均與交直流轉換電路連接。電壓線性變化電源中的供電電路包括變壓器、整流電路D1、兩個穩壓晶片以及低壓差線性穩壓器U3，變壓器與整流電路Dl連接，兩個穩壓晶片均與整流電路Dl連接，低壓差線性穩壓器U3與輸出負直流電壓的穩壓晶片連接。電壓線性變化電源中的直流主控電路，包括單片機TO、按鍵Si、按鍵S2、低壓差線性穩壓器U4和基準電壓源晶片U5，低壓差線性穩壓器U4與供電電路連接，低壓差線性穩壓器U4和基準電壓源晶片U5均與單片機U6連接，單片機U6的輸出電流經電阻轉換成電壓輸出，用於改變電源功能模式的按鍵Sl和開始按鍵S2均與單片機TO連接，單片機TO上連接有分別控制自動輸出時波形上升斜率與下降斜率的調節電位器。電壓線性變化電源中的直流輸出電路，包括旋轉電位器、運算放大器U8和可調穩壓器U7，直流主控電路的輸出端與運算放大器U8連接，運算放大器U8的輸入端與直流主控電路中的單片機U6連接，運算放大器U8的輸出端與可調穩壓器U7連接，可調穩壓器U7的輸出端與交直流轉換電路中的雙刀雙擲撥動開關S3連接。電壓線性變化電源中的交流主控電路，包括單片機U9和運算放大器U10，單片機 U9連接至運算放大器U10，運算放大器UlO的輸出端連接至交流輸出電路的電容E5，單片機 U9上連接有程序下載接口。電壓線性變化電源中的交流輸出電路，包括電解電容E5、旋鈕電位器、功率放大集成電路U11、接口 J5和旋鈕電位器，交流主控電路中運算放大器UlO輸出端經電解電容E5、 旋鈕電位器和電阻連接到功率放大集成電路U11，功率放大集成電路Ull的輸出端連接至交直流轉換電路中的雙刀雙擲撥動開關S3，接口 J5連接旋鈕電位器。旋鈕電位器用來調節交流輸出的大小。電壓線性變化電源中的交直流轉換電路，包括雙刀雙擲撥動開關S3和接口 J3，雙刀雙擲撥動開關Sl與接口 J3連接，J3連接至電源輸出端子，雙刀雙擲撥動開關S3的直流輸出引腳連接到直流輸出電路中可調穩壓器U7，交流輸出引腳連接到交流輸出電路中功率放大集成電路Ull。電壓傳感器包括調理電路和傳感器通用模塊，該調理電路包括電壓輸入端、保護電路、基準源晶片、運算放大器和電壓輸出端，電壓輸入端通過保護電路與運算放大器連接，基準源晶片與運算放大器連接，運算放大器通過電壓輸出端與傳感器通用模塊連接。被測電壓通過電壓輸入端經過前端的保護電路輸入到運算放大器進行信號放大，放大後的信號由電壓輸出端輸出到傳感器通用模塊，傳感器通用模塊中單片機的ADC模塊進行數據採集，然後經過連線將採集到的數據傳輸到數據採集器。磁感應強度傳感器包括調理電路穩壓電路、調理電路信號放大電路和傳感器通用模塊，調理電路信號放大電路與調理電路穩壓電路連接，調理電路信號放大電路與傳感器通用模塊連接。調理電路信號放大電路包括霍爾元件、運算放大器和基準源晶片，霍爾元件與運算放大器連接，基準源晶片與運算放大器連接。調理電路穩壓電路包括由升壓晶片、場效應管和電感和二極體組成的升壓電路、電容濾波器和穩壓晶片，升壓電路經電容濾波器與穩壓晶片連接，穩壓晶片與調理電路信號放大電路的基準源晶片、霍爾元件和運算放大器連接。霍爾元件將磁信號轉換為電信號，電信號經運算放大器放大後，由傳感器通用模塊中單片機的ADC模塊進行數據採集，然後將採集到的數據傳輸到數據採集器。電壓傳感器和磁感應強度傳感器中的傳感器通用模塊的電路相同，只是內部程序不同。傳感器通用模塊包括主控電路、電壓基準電路和接口電路，主控電路包括單片機、程序下載接口和兩個調理電路接口，程序下載接口和兩個調理電路接口均連接在單片機上， 兩個調理電路接口用於連接電壓傳感器的調理電路或磁感應強度傳感器的調理電路；電壓基準電路為一電壓基準晶片，電壓基準晶片經電阻、三極體與主控電路中單片機連接；接口電路包括接口 JC、瞬態抑制二極體晶片，接口 JC一方面與主控電路中的單片機連接，另一方面作為電壓傳感器和磁感應強度傳感器與數據採集器連接的接口，接口 JC與電壓傳感器和磁感應強度傳感器連接的通信線上連接有瞬態抑制二極體晶片。[0016]上述法拉第電磁感應實驗器的工作原理如下螺線管(作為原線圈)通電後作為磁性體，通過電壓線性變化電源給螺線管供電， 控制電壓線性變化電源按設定的方式變化供電電流，用以改變螺線管磁場的強弱。螺線管外部放置的感應線圈(作為副線圈)作為研究電路。利用電壓與磁感應強度傳感器實現實驗數據的採集，感應線圈內放置的磁感應強度傳感器用於測量感應線圈處的磁感應強度， 因感應線圈的面積不變，根據定義Φ = B*S(其中Φ為磁通量，B為磁感應強度，S為感應線圈的面積)，得知磁通量變化率八(5/^1(八{為時間)與磁感應強度的變化率Δ B/At 相等。實驗時，改變螺線管的電流，通過計算機中的法拉第電磁感應實驗專用軟體實時觀察到感應線圈處磁感應強度與對應的感應電動勢的變化情況。通過專用電源可控制磁感應強度均勻變化，軟體採集感應電動勢E的數值與對應的磁感應強度變化率ΔΒ/ △ t，定量研究二者之間的關係。還可通過改變感應線圈的線圈匝數n，定量研究電動勢E與線圈匝數η的關係。本實用新型結構簡單，能夠定量研究感應電動勢E與磁感應強度變化率AB/At 的關係，可以定量研究感應電動勢E與線圈匝數η的關係，從而驗證法拉第電磁感應定律。
圖1是本實用新型法拉第電磁感應實驗器的結構原理圖。圖2是本實用新型中電壓線性變化電源的供電電路原理圖。圖3和圖4是電壓線性變化電源的直流主控電路原理圖。圖5是電壓線性變化電源的直流輸出電路原理圖。圖6是電壓線性變化電源的交流主控電路原理圖。圖7是電壓線性變化電源的交流輸出電路原理圖。圖8是電壓線性變化電源的交直流轉換電路原理圖。圖9是本實用新型中電壓傳感器的調理電路原理圖。圖10是本實用新型中磁感應強度傳感器的調理電路信號放大電路原理圖。圖11是本實用新型中磁感應強度傳感器的調理電路穩壓電路原理圖。圖12是本實用新型中傳感器通用模塊主控電路原理圖。圖13是本實用新型中傳感器通用模塊電壓基準電路原理圖。圖14是本實用新型中傳感器通用模塊接口電路原理圖。圖15是本實用新型第一種實驗模式的感應電動勢E與磁感應強度B變化的波形圖。圖16是本實用新型第二種實驗模式的感應電動勢E與磁感應強度B變化的波形圖。圖17是本實用新型第三種實驗模式的感應電動勢E與磁感應強度B變化的波形圖。圖18是本實用新型第四種實驗模式的感應電動勢E與磁感應強度B變化的波形圖。圖19是本實用新型第四種實驗模式的數據處理結果圖。其中1、螺線管，2、電壓線性變化電源，3、感應線圈，4、磁感應強度傳感器，5、電壓
6傳感器，6、數據採集器，7、計算機。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型的法拉第電磁感應實驗器包括螺線管1、電壓線性變化電源2、感應線圈3、磁感應強度傳感器4、電壓傳感器5、數據採集器6和計算機7。螺線管1 與電壓線性變化電源2連接，感應線圈3同軸心套裝在螺線管1的外部，感應線圈3內放置有磁感應強度傳感器4，以測量感應線圈3處的磁感應強度。感應線圈3上連接有電壓傳感器5，用於測量感應電動勢。磁感應強度傳感器4和電壓傳感器5均通過數據採集器6連接至計算機7，計算機7上顯示出磁感強度與電壓隨時間變化的數據曲線圖。螺線管(原線圈)1連接至電壓線性變化電源2的電壓輸出端，電壓線性變化電源 2通過控制輸出的電壓控制螺線管1產生均勻變化的磁場B。感應線圈(副線圈)3同軸心套裝在螺線管1的外部，當螺線管1產生變化的磁場時，感應線圈3將產生感應電動勢E。 電壓傳感器5實時採集感應電動勢E的大小，插入感應線圈3中的磁感應強度傳感器4實時測量磁感應強度B的變化。數據採集器6將磁感應強度傳感器4採集到的磁感應強度B 和電壓傳感器5採集到的感應電動勢E傳輸到計算機7，計算機7根據法拉第電磁感應定律對數據進行處理。電壓線性變化電源2包括供電電路、直流主控電路、直流輸出電路、交流主控電路、交流輸出電路和交直流轉換電路。直流主控電路的輸入端與供電電路連接，輸出端與直流輸出電路連接；交流主控電路的輸入端與供電電路連接，輸出端與交流輸出電路連接； 直流輸出電路的輸出端和交流輸出電路的輸出端均與交直流轉換電路連接。電壓線性變化電源中的供電電路如圖2所示，包括變壓器、整流電路D1、兩個穩壓晶片(Ul和似)和低壓差線性穩壓器U3，變壓器與整流電路Dl連接，兩個穩壓晶片均與整流電路Dl連接，低壓差線性穩壓器U3與輸出負直流電壓的穩壓晶片U2(LM7909)連接。經變壓器輸出的交流電壓由接口 Jl通過開關Kl接入整流電路D1，經過整流電路Dl 轉換為直流電壓，輸出+12V和-12V直流電壓，分別供給穩壓晶片Ul (LM7809)和穩壓晶片U2(LM7909)，穩壓晶片Ul和穩壓晶片U2分別輸出9V與-9V的電壓，低壓差線性穩壓器 U3 (ASl 117-3. 3)與穩壓晶片U2連接，輸出3. 3V電源。圖2中的發光二極體DS6為電源指示燈，DS6與整流電路Dl輸出的-12V直流電壓連接。電壓線性變化電源中的直流主控電路如圖3和圖4所示，包括單片機TO、按鍵S1、 按鍵S2、低壓差線性穩壓器U4、基準電壓源晶片U5、模式顯示燈及輸出狀態指示燈。低壓差線性穩壓器U4與供電電路中的整流電路Dl連接，供電電路中整流電路Dl的為低壓差線性穩壓器U4供-12V直流電，低壓差線性穩壓器U4 (ASl 117-5)與單片機U6連接，為單片機 U6提供5V的電壓。單片機TO為直流主控晶片，採用C8051F410。基準電壓源晶片TO採用 ADR391，並與單片機TO連接，基準電壓源晶片TO的4腳連接至單片機TO的11腳，為單片機U6內部的ADC模塊(模數轉換模塊)和DAC模塊(數模轉換模塊)提供基準電壓。單片機U6的17腳為DAC輸出，輸出電流經電阻R14轉換成電壓，然後輸出。按鍵Sl接單片機U6的13腳(參見圖4)，此鍵功能為改變電源的功能模式，按鍵S2接單片機U6的14腳， 功能為在自動模式控制開始一個波形的輸出。單片機U6的31腳和30腳分別連接有電位器R12和R13，這兩腳被配置為單片機U3內部ADC模塊的輸入，通過調節電位器R12和R13
7輸出的分電壓分別控制自動輸出時波形的上升斜率與下降斜率。單片機TO的25腳、沈腳、 27腳和觀腳分別連接發光二極體DS1、DS2、DS3、DS4，單片機TO的15腳連接發光二極體 DS5，發光二極體DS1、DS2、DS3和DS4為模式顯示燈，用於顯示當前電源所處的模式，發光二極體DS5為輸出狀態指示燈，用於顯示當前波形的輸出狀態，當DS5亮起時表示波形正在輸
出ο電壓線性變化電源中的直流輸出電路如圖5所示，包括旋轉電位器、運算放大器 U8和可調穩壓器U7。接口 J6連接一阻值為IOKΩ的旋轉電位器。圖4直流主控電路中的接口 J2與圖5中的接口 J7連接，圖5中的接口 J6與接口 J7連接，接口 J6的輸入端連接的10ΚΩ旋轉電位器與直流主控電路中的單片機TO連接，運算放大器U8(採用CA3140)與直流主控電路中的單片機U6連接，其功能是將單片機TO輸出的電壓信號進行放大。可調穩壓器U7採用LM317。圖3中單片機TO的11腳輸出的DAC信號經過電阻R6進入運算放大器U8的第3腳，運算放大器U8對信號進行放大，放大後的信號經運算放大器U8的第6 腳連接至可調穩壓器U7的第1腳，控制可調穩壓器U7的2腳電壓信號輸出，輸出信號連接至圖8交直流轉換電路中Sl的VOUT引腳。電壓線性變化電源中的交流主控電路的電源輸入端與圖2中的供電電路連接，輸出端與圖7所示的交流輸出電路連接。如圖6所示，交流主控電路包括單片機U9和運算放大器U10。單片機U9採用C8051F330，單片機U9的第20腳為DAC引腳，輸出50HZ的正弦波的電流信號，經過電阻Rl轉換為電壓信號。然後經R3連接至運算放大器UlO (採用LM358) 的第3腳，經運算放大器UlO進行信號放大後由第1腳輸出至圖7中交流輸出電路的電容 E5。單片機U9上連接有程序下載接口(即圖6中的接口 J2)。單片機U9的電源由圖2供電電路中的低壓差線性穩壓器U3提供。電壓線性變化電源中的交流輸出電路如圖7所示，包括電解電容E5、旋鈕電位器、 功率放大集成電路U11、接口 J5和旋鈕電位器，交流主控電路中運算放大器UlO輸出端經電解電容E5、旋鈕電位器和電阻RlO連接到功率放大集成電路Ul 1，功率放大集成電路Ul 1的輸出端連接至圖7交直流轉換電路中的雙刀雙擲撥動開關S3，接口 J5連接旋鈕電位器，旋鈕電位器用來調節交流輸出的大小。功率放大集成電路Ull採用TDA2030。圖6交流主控電路中運算放大器UlO放大的電壓信號經過電解電容E5後，由電位器分壓，經電阻RlO輸入到功率放大集成電路Ull的第1腳，信號進行功率放大後由功率放大集成電路Ull的第 4腳輸出至圖8交直流轉換電路中雙刀雙擲撥動開關Sl的AC-OUT引腳。電壓線性變化電源中的交直流轉換電路如圖8所示，包括雙刀雙擲撥動開關S3和接口 J3，雙刀雙擲撥動開關Sl與接口 J3 (J3為電源地輸出端)連接，接口 J3連接至電源輸出端。通過雙刀雙擲撥動開關S3進行交直流的輸出轉換。雙刀雙擲撥動開關S3的VOUT 引腳連接到圖5直流輸出電路中可調穩壓器U7的2腳，AC-OUT引腳連接到圖7交流輸出電路中功率放大集成電路Ull的第4腳。螺線管與電壓線性變化電源的電源輸出端連接。上述電壓線性變化電源利用單片機TO(C8051F410)的DAC數模轉換器輸出控制可調穩壓器U7(LM317)的電壓輸出；在手動模式，單片機TO的ADC模數轉換器，採樣電位器的阻值變化，同時相應輸出DAC信號控制LM317的電壓輸出；在自動模式，單片機TO會根據當前模式DAC自動輸出不同模式的線性變化的電流信號，控制LM317的電壓輸出，從而得到多種模式線性變化的電壓信號。具有五種工作模式，分別為[0048]第一種，手動直流輸出模式可通過手動調節圖4直流輸出電路中與接口 J6連接的IOK電位器控制可調穩壓器U7的直流電壓輸出。第二種，自動輸出梯形波模式梯形波的上升沿與下降沿為線性變化，並且上升沿的上升斜率與下降沿的的下降斜率可以分別通過圖3直流主控電路中的調節電位器R12和 Rl3設置。第三種，自動輸出三角波模式三角波的上升沿與下降沿為線性變化，並且上升沿的上升斜率與下降沿的的下降斜率可以分別通過圖3直流主控電路中的調節電位器R12和 Rl3設置。第四種，自動輸出五個連續的斜率逐漸增加的三角波模式三角波的上升沿為線性變化，並且五個上升沿的上升斜率可以通過圖3直流主控電路中的調節電位器R12和R13設置。第五種，交流輸出模式可輸出50hz的交流信號，信號波形為正弦波，交流信號的電壓可通過圖3直流主控電路中的調節電位器R12和R13調節。電壓傳感器5包括調理電路和傳感器通用模塊，該調理電路如圖9所示，包括電壓輸入端J10、保護電路、基準源晶片U12、運算放大器U13和輸出端J8、J9，電壓輸入端JlO 通過保護電路與運算放大器U13連接，運算放大器U13通過輸出端J9與傳感器通用模塊連接，基準源晶片U12 (REF3012AIDBZR)與運算放大器U13連接，為運算放大器U13提供1. 25V 的電壓基準。電壓傳感器5可以採集士5mV的電壓信號，電壓輸入端JlO為電壓輸入的紅、黑色鱷魚夾，被測電壓由電壓輸入端JlO接入，經過前端的保護電路輸入到運算放大器 U13 (AD8553ARMZ)進行信號放大，放大後的信號由電壓輸出端J8輸出到傳感器通用模塊8。 傳感器通用模塊中單片機的ADC模塊進行數據採集，然後經過連線將採集到的數據傳輸到數據採集器6。J8的第1腳為基準源晶片U12、運算放大器U13提供5V電源。磁感應強度傳感器4的調理電路如圖10和圖11所示，包括調理電路穩壓電路、 調理電路信號放大電路和電信號輸出端J12(參見圖11)，調理電路信號放大電路與調理電路穩壓電路連接，電信號輸出端Jll連接在調理電路信號放大電路上，調理電路信號放大電路通過電信號輸出端Jll與傳感器通用模塊8連接。磁感應強度傳感器的調理電路信號放大電路如圖10所示，包括霍爾元件U15、運算放大器U16和基準源晶片U14，霍爾元件U15(A1302EUA)與運算放大器U16連接，在不同的磁場下會輸出不同的電壓，霍爾元件 U15輸出的電壓信號進入運算放大器U16(AD8553ARMZ)進行放大後輸出。其中基準源晶片 U14(REF3012AIDBZR)輸出1. 25V電壓，為運算放大器U16提供電壓基準。磁感應強度傳感器的調理電路穩壓電路如圖11所示，包括升壓電路、電容濾波器和穩壓晶片U18，升壓電路由升壓晶片U17 (CE9908AM)、場效應管Ql (CE2312)和電感 Ll (IOOuH)、二極體Dl (1N5819)組成，由接口 J12輸入5V電壓，進入升壓電路進行升壓，升高後的電壓經電容濾波器濾波進入穩壓晶片U18(AMS1117-5. 0)穩壓到5V，為圖10中調理電路信號放大電路的基準源晶片U14、霍爾元件U15和運算放大器U16進行供電。磁感應強度傳感器4可以測量士 15mT的磁信號，電信號輸出端Jll將圖10中放大後的磁信號輸出到傳感器通用模塊。霍爾元件U15將磁信號轉換為電信號，電信號經運算放大器U16放大後，由傳感器通用模塊8中單片機的ADC模塊進行數據採集，然後將採集數據打包，將數據傳輸到計算機7。傳感器通用模塊8為磁感應強度傳感器4和電壓傳感器5共用，包括主控電路、電壓基準電路和接口電路。主控電路如圖12所示，包括單片機U19、程序下載接口 J13和兩個調理電路接口，程序下載接口 J13和兩個調理電路接口(圖12中的J14和JM)均連接在單片機U19上。單片機Ul為C8051F410單片機，程序下載接口 J13用於單片機Ul的程序下載，電壓傳感器5和磁感應強度傳感器4的調理電路分別與調理電路接口 J14和J15連接，調理電路輸出的電信號由單片機U19的觀腳進入單片機U19，單片機U19內部的16腳為ADC模塊對電壓進行採樣，將模擬信號轉化為數位訊號。傳感器通用模塊的電壓基準電路如圖13所示，為一電壓基準晶片U20，圖12中的單片機U19的Pl. 7 口輸出控制信號經電阻RlO控制三極體Ql (8050)的通斷，然後控制電壓基準晶片U20(ADR391AUJZ)的工作狀態。電壓基準晶片U20 (ADR391AUJZ)輸出2. 5V電壓，為圖10中的單片機U19的ADC模塊提供電壓基準。傳感器通用模塊的接口電路如圖14所示，包括接口 JC、瞬態抑制二極體晶片TVSl 和TVS2，接口 JC 一方面與主控電路中的單片機U19連接，接口 JC的2、3、4、5腳通過SPI 通信線分別連接至圖12主控電路中的單片機U19的Pl. 5、Pl. 3、Pl. 6和Pl. 4腳，另一方面作為傳感器與數據採集器6連接的接口，JC的6腳為電壓傳感器5和磁感應強度傳感器 4提供5V的電壓。接口 JC與單片機的SPI通信線上連接有瞬態抑制二極體晶片TVSl和 TVS2(SN65220DBV)，其作用是為SPI通信線提供防靜電保護。上述法拉第電磁感應實驗器可有多種實驗模式圖15給出了第一種實驗模式的感應電動勢E與磁感應強度B變化的波形。該實驗模式可調節磁感應強度不變或隨意變化。如果磁感應強度不變化，雖然磁感強度足夠強， 從實驗結果看無感應電動勢。當磁感應強度發生隨意變化時，有感應電動勢產生。可以說明感應電動勢E與磁感應強度B的變化有關。圖16給出了第二種實驗模式的感應電動勢E與磁感應強度B變化的波形。該實驗模式磁感應強度B均勻變化(增加或減小)。磁感應強度B均勻增加，產生正向感應電動勢，大小恆定。磁感應強度B均勻減小，產生反向感應電動勢，大小恆定。感強度的變化率 K不同，感應電動勢的大小不同，說明感應電動勢的大小與磁感強度的變化率有關。圖17給出了第三種實驗模式的感應電動勢E與磁感應強度B變化的波形。該實驗模式多次改變磁感應強度B的上升快慢，S卩AB/At = K中的斜率K。可發現K越大，感應電動勢E越大。圖18給出了第四種實驗模式的感應電動勢E與磁感應強度B變化的波形。該實驗模式通過專用電源2連續輸出五個斜率不同的鋸齒波。圖19給出了通過計算機7中的實驗軟體對第四種實驗方式採集的數據點進行的繪圖，通過曲線擬合，驗證感應電動勢E與磁感應強度變化率Δ B/ Δ t成正比關係。
10
權利要求1.一種法拉第電磁感應實驗器，包括螺線管、感應線圈、磁感應強度傳感器、電壓傳感器、電壓線性變化電源、數據採集器和計算機，其特徵是螺線管與電壓線性變化電源連接， 感應線圈設置在螺線管外部，感應線圈內放置有用於測量感應線圈處磁感應強度的磁感應強度傳感器，感應線圈上連接有用於測量感應電動勢的電壓傳感器，磁感應強度傳感器和電壓傳感器均通過數據採集器連接至計算機。
2.根據權利要求1所述的法拉第電磁感應實驗器，其特徵是所述電壓線性變化電源包括供電電路、直流主控電路、直流輸出電路、交流主控電路、交流輸出電路和交直流轉換電路；直流主控電路的輸入端與供電電路連接，輸出端與直流輸出電路連接；交流主控電路的輸入端與供電電路連接，輸出端與交流輸出電路連接；直流輸出電路的輸出端和交流輸出電路的輸出端均與交直流轉換電路連接。
3.根據權利要求2所述的法拉第電磁感應實驗器，其特徵是所述電壓線性變化電源中的供電電路包括變壓器、整流電路D1、兩個穩壓晶片以及低壓差線性穩壓器U3，變壓器與整流電路Dl連接，兩個穩壓晶片均與整流電路Dl連接，低壓差線性穩壓器U3與輸出負直流電壓的穩壓晶片連接。
4.根據權利要求2所述的法拉第電磁感應實驗器，其特徵是所述電壓線性變化電源中的直流主控電路，包括單片機U6、按鍵Si、按鍵S2、低壓差線性穩壓器U4和基準電壓源晶片U5，低壓差線性穩壓器U4與供電電路連接，低壓差線性穩壓器U4和基準電壓源晶片U5 均與單片機U6連接，單片機TO的輸出電流經電阻轉換成電壓輸出，用於改變電源功能模式的按鍵Sl和開始按鍵S2均與單片機U6連接，單片機U6上連接有分別控制自動輸出時波形上升斜率與下降斜率的調節電位器。
5.根據權利要求2所述的法拉第電磁感應實驗器，其特徵是所述電壓線性變化電源中的直流輸出電路，包括旋轉電位器、運算放大器U8和可調穩壓器U7，運算放大器U8的輸入端與直流主控電路中的單片機U6連接，運算放大器U8的輸出端與可調穩壓器U7連接， 可調穩壓器U7的輸出端與交直流轉換電路中的雙刀雙擲撥動開關S3連接。
6.根據權利要求2所述的法拉第電磁感應實驗器，其特徵是所述電壓線性變化電源中的交流主控電路，包括單片機U9和運算放大器U10，單片機U9連接至運算放大器U10，運算放大器UlO的輸出端連接至交流輸出電路的電容E5，單片機W上連接有程序下載接口。
7.根據權利要求2所述的法拉第電磁感應實驗器，其特徵是所述電壓線性變化電源中的交流輸出電路，包括電解電容E5、旋鈕電位器、功率放大集成電路U11、接口 J5和旋鈕電位器，交流主控電路中運算放大器UlO輸出端經電解電容E5、旋鈕電位器和電阻連接到功率放大集成電路U11，功率放大集成電路Ull的輸出端連接至交直流轉換電路中的雙刀雙擲撥動開關S3，接口 J5連接旋鈕電位器。
8.根據權利要求1所述的法拉第電磁感應實驗器，其特徵是所述電壓傳感器包括調理電路和傳感器通用模塊，該調理電路包括電壓輸入端、保護電路、基準源晶片、運算放大器和電壓輸出端，電壓輸入端通過保護電路與運算放大器連接，基準源晶片與運算放大器連接，運算放大器通過電壓輸出端與傳感器通用模塊連接。
9.根據權利要求1所述的法拉第電磁感應實驗器，其特徵是所述磁感應強度傳感器包括調理電路穩壓電路、調理電路信號放大電路和傳感器通用模塊，調理電路信號放大電路與調理電路穩壓電路連接，調理電路信號放大電路與傳感器通用模塊連接；所述調理電路信號放大電路包括霍爾元件、運算放大器和基準源晶片，霍爾元件與運算放大器連接，基準源晶片與運算放大器連接；所述調理電路穩壓電路包括由升壓晶片、場效應管和電感和二極體組成的升壓電路、電容濾波器和穩壓晶片，升壓電路經電容濾波器與穩壓晶片連接， 穩壓晶片與調理電路信號放大電路的基準源晶片、霍爾元件和運算放大器連接。
10.根據權利要求8或9所述的法拉第電磁感應實驗器，其特徵是所述傳感器通用模塊包括主控電路、電壓基準電路和接口電路，主控電路包括單片機、程序下載接口和兩個調理電路接口，程序下載接口和兩個調理電路接口均連接在單片機上，兩個調理電路接口用於連接電壓傳感器的調理電路或磁感應強度傳感器的調理電路；電壓基準電路為一電壓基準晶片，電壓基準晶片經電阻、三極體與主控電路中單片機連接；接口電路包括接口 JC、瞬態抑制二極體晶片，接口 JC一方面與主控電路中的單片機連接，另一方面作為電壓傳感器和磁感應強度傳感器與數據採集器連接的接口，接口 JC與電壓傳感器和磁感應強度傳感器連接的通信線上連接有瞬態抑制二極體晶片。
專利摘要本實用新型提供了一種法拉第電磁感應實驗器，包括螺線管、感應線圈、磁感應強度傳感器、電壓傳感器、電壓線性變化電源、數據採集器和計算機，螺線管與電壓線性變化電源連接，感應線圈設置在螺線管外部，感應線圈內放置有用於測量感應線圈處磁感應強度的磁感應強度傳感器，感應線圈上連接有用於測量感應電動勢的電壓傳感器，磁感應強度傳感器和電壓傳感器均通過數據採集器連接至計算機，數據採集器讀取電壓傳感器和磁感應強度傳感器採集的數據，並將數據傳輸到計算機。本實用新型結構簡單，能夠定量研究感應電動勢E與磁感應強度變化率ΔB/Δt的關係，可以定量研究感應電動勢E與線圈匝數n的關係，從而驗證法拉第電磁感應定律。
文檔編號G09B23/18GK202042099SQ201120057630
公開日2011年11月16日 申請日期2011年3月8日 優先權日2011年3月8日
發明者馮容士, 趙進, 陳開雲 申請人:山東省遠大網絡多媒體股份有限公司