跳环实验是电磁感应现象的一个著名实验。其演示过程为：在圆柱形铁芯上绕一个多匝线圈，通电时线圈中流过交变电流；再将一个铝环套在铁芯上，可以看到它在通电瞬间会跳起来，而持续通电，它还会悬浮在铁芯的上方而不会落下。跳环实验装置如
图1所示。
该实验原理一般都是根据楞次定律加以解释：若线圈通电，则认为铁芯上端相当于N极，由电流激发的变化磁场对铝环提供一个变化的磁通量，此时铝环会产生感生电流，就把铝环等效地看作一块极短的磁铁，其下端应为N极；这个N极与铁芯上端的N极相斥，即铝环受到一个向上的磁场力，正是这一磁场力让铝环跳起或悬浮
［1］。
1 问题的提出及装置改进说明
在交流电的一个周期内，当前半个周期线圈中的交变电流增加时，磁通量增大，受电磁感应作用的影响，铝环会产生感应电流，而感应电流会阻碍磁通量的变化。这时，两种电流的方向相反，而由两种电流产生的磁场方向也相反。根据安培定则有：它们之间会产生相互排斥的磁力，铝环会跳起。
但是在后一个周期内，当线圈中的交变电流减弱时，铝环包围面积的磁通量就会减少，受电磁感应作用的影响，这时的铝环就会产生感应电流，而感应电流总是会阻碍磁通量的变化，此时它们的电流方向相同，同时两种电流产生的磁场方向相同，这样铝环与线圈之间就会产生相互吸引的磁力，铝环会被吸下来。但是针对悬浮的铝环现象，运用这一互感原理加以解释，显然存在问题。仔细思考会发现，铝环跳起的原因不仅仅是互感，还有铝环的自感！
基于铝环的自感，遂有如下的解释：在一个周期内，当铝环的自感系数等于0时，斥力等于引力，铝环不会跳起；当铝环的自感系数大于0时，斥力产生的时间大于引力产生的时间，斥力大于阻力，表现为斥力，这样就会出现铝环跳起并悬浮的现象
［2］。
基于上述原因，为了更完美地解释跳环实验原理，笔者对实验装置进行了改进。改进装置主要用于演示自感系数不同的金属环产生的驱动力不同，可用其说明跳环的工作原理。同时，采用的感应发光灯带可以演示影响交流磁场强弱的因素，即铝环和铁芯的发热现象可以充分说明涡流原理。笔者的改进实验装置如
图2所示。
2 基于改进实验装置的实验演示例证
2.1 演示跳环实验
（1） 把支架竖直放置，演示铝环跳起及悬浮实验。
（2） 演示步骤：打开由电扇调速器改装的阻抗开关；调节挡位，可演示电流大小对跳环跳起高度的影响；抽取铁芯，可演示感应磁场强弱对跳环跳起高度的影响；改变线圈匝数，可演示匝数对跳环跳起高度的影响。
2.2 演示自感系数不同的金属环产生的斥力不同
（1） 将支架横放，把铜环、铝环、易拉罐环等自感系数不同的材料靠近线圈，即可演示通电时各个环被驱动的距离，并可定量分析自感系数对跳环实验的影响。
（2） 注意：材料质量须相同，即用相同的纸张包裹各演示环，以保证摩擦条件相同。
（3） 演示自感系数不同的金属环产生的斥力不同的装置如
图4所示。
2.3 演示产生交流磁场强弱影响因素
（1） 将支架横放，矩形线圈连接一条灯带，将其套在塑料管内，给线圈接通220 V交流电源。
（2） 演示矩形线圈靠近变压线圈的影响因素，此时灯带越亮，说明磁场强度与距离有关；改变矩形线圈的角度，发现灯带亮度发生变化，说明磁场强度分布不同；逐渐抽出中控塑料管中的铁芯，发现抽出的铁芯部分越多，灯带越暗，说明磁场强度与铁芯有关；调节调速器的挡位，阻抗越小，灯带越亮，说明磁场强度与电流强度有关。
（3） 演示产生交流磁场强弱影响因素的装置如
图5所示。
2.4 演示涡流现象
（1） 在演示跳环实验过程中，我们发现铝环会发热，这是由于闭合的铁芯处于交变电流产生的交变磁场环境下，磁通量在不断地变化，这是产生的涡流造成的。
（2） 在演示实验时，可让学生亲自感受铝环温度的变化；抽出塑料管中的铁芯，会发现其温度更高，为增大演示效果，可把高温铁芯放入松香中使其熔化，或用红外测温枪检测铁芯温度，让学生体验涡流释放大量的热，从而解释了变压器中不用铁芯而用折叠硅钢片代替的原因。
将基于可调线圈与风扇调速器的改进装置用于跳环实验，不但能演示跳环实验，还能演示电磁感应、涡流等相关实验，效果明显，趣味性强，可反复使用。
京公网安备11010202008535号
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