電容器作電源改善物理實驗

時間:2022-08-11 03:55:55

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電容器作電源改善物理實驗

超級電容器是一種新型的儲能器件,因其能提供大功率,循環壽命長,充電時間短,使用方便,使用溫度范圍寬,綠色環保等優異特性而在各個領域中得到了廣泛應用。超級電容器彌補了鋁電解電容器和可充電電池之間的技術缺口,同時又克服了兩者的缺陷,既具有電池的能量貯存特性,又具有電容器的功率特性,它比傳統電解電容器的能量密度高數千倍,而漏電電流小數千倍,具有法拉級的超大電容量,儲電能量大、時間長;其放電功率較蓄電池高近10倍,能夠瞬間釋放數百至數千安培電流,大電流放電甚至短路也不會對其有任何影響,可充放電幾十萬次以上而不需要任何維護和保養,可用于以極大電流瞬間放電和大電流放電的工作狀態,而不易產生發熱、著火等現象,且充電時間很短,可在幾秒鐘之內完成,是一種理想的大功率二次電源。筆者利用超級電容器優越的性能,將2只容量為300F、額定電壓為2.7V的超級電容器串聯后作電源,應用于需要大電流的物理實驗,取得了很好的效果。

一、改進奧斯特演示實驗

該實驗證明了通電導體能產生磁場。由于現有的電源不能提供很大的電流,廠家提供的教具在演示該實驗時,通常采用多股線圈疊加在一起模擬成1根通電導體的方法。另外,為增強可見度,小磁針的轉動還要用投影儀來演示。有的教師為了使全班學生便于觀察該實驗,換用了大磁針,采取將幾節干電池直接與1根導線相連的方法來演示。這種方法由于電源短路,電池很快就會損壞。如果采用超級電容器作電源來做這個實驗,那么一切問題將迎刃而解。

在演示奧斯特實驗時,為了使超級電容器放電時間延長,從而有更佳的實驗效果,可加大電容器的容量(這樣做會增加成本),或者在電容器與直線導體間串聯大功率的小電阻。筆者采用的方法是后者,將4只阻值為1Ω的大功率水泥電阻并聯后再與直線導體串聯,然后再接到串聯的2只超級電容器上。

這2只超級電容器串聯后,總電壓充電到5V即可,每只超級電容器均未超過其額定電壓。

二、改進通電直導體在磁場中受安培力的演示實驗

該實驗用超級電容器作電源,由于能得到很大的電流,演示效果極佳。圖1是演示通電導體在磁場中受安培力的裝置圖。在圖中的2根平行導軌上,左邊放置的是1根長約為7cm的銅管,它可直接用來演示通電導體在磁場中受到安培力的實驗;右邊放置的是1個自制的長度大約為7cm的轉子,它也可以演示通電導體在磁場中受到安培力的實驗。把銅管和轉子放置在平行導軌上,除了能演示它們都受安培力的實驗外,還可以用來對比在這2種實驗情形下,銅管和轉子受到的靜摩擦力的方向。轉子的結構見圖2和圖3,這個轉子用1根直徑約0.8cm的小圓木棍作轉軸,轉軸的兩端分別套上內徑與小木棍直徑相當的薄銅管。此前,先在薄銅管內壁涂上AB膠,使它與轉軸黏牢,然后用鋼鋸片將轉軸一端的薄銅管沿轉軸的方向鋸開,圍繞著圓把薄銅管分成四等分且彼此絕緣,再用4根銅導體把它們焊接在兩端的薄銅管上。在演示該實驗時,在平行導軌下方放置2塊條形磁鐵(每塊磁鐵長11cm,寬4cm,厚2.5cm,即直流電動機原理模型上現成的磁鐵),且同極性面都向上(或向下),然后用導線將2根平行導軌分別接到用超級電容器作電源的正、負極上,此時銅管和轉子立刻滾動起來,且它們滾動前進的方向恰好相反。由左手定則可知,銅管和轉子上的銅導體受到的安培力方向相同。它們滾動前進的方向之所以相反,是由于平行導軌給它們施加的靜摩擦力效果不一樣,銅管受到的靜摩擦力方向與其前進的方向相反,而轉子受到的靜摩擦力方向與其前進方向相同(在圖4和圖5中,電流I垂直紙面向里,磁場B豎直向上)。這就和人騎自行車時,自行車的前輪和后輪所受靜摩擦力的原理是相同的。

最后提一下轉子滾動時的一個有趣現象:當把2塊條形磁鐵的不同極性面朝上(或朝下),同時2根平行導軌與電源的正、負極正確相連時,轉子會沿著平行導軌作往復滾動。此外,用轉子來演示導體在磁場中受安培力的實驗,更能幫助學生理解直流電動機模型的工作原理。