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电容器作电源改善物理实验

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超级电容器是一种新型的储能器件,因其能提供大功率,循环寿命长,充电时间短,使用方便,使用温度范围宽,绿色环保等优异特性而在各个领域中得到了广泛应用。超级电容器弥补了铝电解电容器和可充电电池之间的技术缺口,同时又克服了两者的缺陷,既具有电池的能量贮存特性,又具有电容器的功率特性,它比传统电解电容器的能量密度高数千倍,而漏电电流小数千倍,具有法拉级的超大电容量,储电能量大、时间长;其放电功率较蓄电池高近10倍,能够瞬间释放数百至数千安培电流,大电流放电甚至短路也不会对其有任何影响,可充放电几十万次以上而不需要任何维护和保养,可用于以极大电流瞬间放电和大电流放电的工作状态,而不易产生发热、着火等现象,且充电时间很短,可在几秒钟之内完成,是一种理想的大功率二次电源。笔者利用超级电容器优越的性能,将2只容量为300F、额定电压为2.7V的超级电容器串联后作电源,应用于需要大电流的物理实验,取得了很好的效果。

一、改进奥斯特演示实验

该实验证明了通电导体能产生磁场。由于现有的电源不能提供很大的电流,厂家提供的教具在演示该实验时,通常采用多股线圈叠加在一起模拟成1根通电导体的方法。另外,为增强可见度,小磁针的转动还要用投影仪来演示。有的教师为了使全班学生便于观察该实验,换用了大磁针,采取将几节干电池直接与1根导线相连的方法来演示。这种方法由于电源短路,电池很快就会损坏。如果采用超级电容器作电源来做这个实验,那么一切问题将迎刃而解。

在演示奥斯特实验时,为了使超级电容器放电时间延长,从而有更佳的实验效果,可加大电容器的容量(这样做会增加成本),或者在电容器与直线导体间串联大功率的小电阻。笔者采用的方法是后者,将4只阻值为1Ω的大功率水泥电阻并联后再与直线导体串联,然后再接到串联的2只超级电容器上。

这2只超级电容器串联后,总电压充电到5V即可,每只超级电容器均未超过其额定电压。

二、改进通电直导体在磁场中受安培力的演示实验

该实验用超级电容器作电源,由于能得到很大的电流,演示效果极佳。图1是演示通电导体在磁场中受安培力的装置图。在图中的2根平行导轨上,左边放置的是1根长约为7cm的铜管,它可直接用来演示通电导体在磁场中受到安培力的实验;右边放置的是1个自制的长度大约为7cm的转子,它也可以演示通电导体在磁场中受到安培力的实验。把铜管和转子放置在平行导轨上,除了能演示它们都受安培力的实验外,还可以用来对比在这2种实验情形下,铜管和转子受到的静摩擦力的方向。转子的结构见图2和图3,这个转子用1根直径约0.8cm的小圆木棍作转轴,转轴的两端分别套上内径与小木棍直径相当的薄铜管。此前,先在薄铜管内壁涂上AB胶,使它与转轴黏牢,然后用钢锯片将转轴一端的薄铜管沿转轴的方向锯开,围绕着圆把薄铜管分成四等分且彼此绝缘,再用4根铜导体把它们焊接在两端的薄铜管上。在演示该实验时,在平行导轨下方放置2块条形磁铁(每块磁铁长11cm,宽4cm,厚2.5cm,即直流电动机原理模型上现成的磁铁),且同极性面都向上(或向下),然后用导线将2根平行导轨分别接到用超级电容器作电源的正、负极上,此时铜管和转子立刻滚动起来,且它们滚动前进的方向恰好相反。由左手定则可知,铜管和转子上的铜导体受到的安培力方向相同。它们滚动前进的方向之所以相反,是由于平行导轨给它们施加的静摩擦力效果不一样,铜管受到的静摩擦力方向与其前进的方向相反,而转子受到的静摩擦力方向与其前进方向相同(在图4和图5中,电流I垂直纸面向里,磁场B竖直向上)。这就和人骑自行车时,自行车的前轮和后轮所受静摩擦力的原理是相同的。

最后提一下转子滚动时的一个有趣现象:当把2块条形磁铁的不同极性面朝上(或朝下),同时2根平行导轨与电源的正、负极正确相连时,转子会沿着平行导轨作往复滚动。此外,用转子来演示导体在磁场中受安培力的实验,更能帮助学生理解直流电动机模型的工作原理。

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