跳舞的弹簧

跳舞的弹簧

Dancing Spring

通电导线会产生磁场，磁场会对通电导线产生安培力的作用，我们通过实验来观察这一现象。

实验装置

实验材料：细铜线、导线、聚苯乙烯泡沫、食盐、铁架台、6V直流电源、玻璃杯、水等。

将细铜线一圈圈地绕在A4纸张卷成的圆柱（直径为2～3cm）外面，做成一只弹簧，缠绕的时候要注意使铜线彼此靠近，但不交叠。弹簧一端与导线连接，将导线绕在铁架台上固定，使弹簧竖直悬挂，弹簧下端恰好接触玻璃杯中的食盐溶液液面。食盐溶液与弹簧上端的导线分别接到直流电源两极，如图1所示。

图1　实验装置

现象观察

接通直流电源，弹簧开始“跳舞”，交替收缩、伸展，并在盐水里上下跳动。

现象解密

假设A、B细铜线中流过同向电流，A在周围产生如图2所示方向的磁场，B在该磁场中受到安培力F的作用；同理，B也会在其周围产生磁场，而对A产生安培力的作用。A、B两根细铜线因此相互吸引。在弹簧中，相邻细铜线相互吸引使弹簧缩短，端点离开食盐液面时，电路断开；弹簧又由于自身的重力作用而下降，当再次与液面接触时，弹簧又由于安培力作用会收缩。如此重复，我们就观察到了弹簧“跳舞”的物理现象。

图2　通电导线产生磁场图

图3　法拉第电磁旋转

应用拓展

通电导线在磁场中受到安培力作用，产生的运动效果与导线或磁体的状态有关。如图3所示是法拉第电磁旋转^[1]实验装置，法拉第在《电学的实验研究》中，对此做了这样的描述：“……这是为了使磁极围绕导线转动和使导线围绕磁极转动而制成的装置。此外还用一只沃拉斯通制造的包含10组极板的伽伐尼电池，它可以使导线和磁极获得足够的力量，产生快速的转动。这个装置有一个长宽约6英寸×3英寸的水平台，台上装有6英寸高的铜支架，其中有导线连接，一端导线固定，导线另一端可以自由转动。在固定导线这一方，有一个装有水银的玻璃杯，杯中装有可自由转动的磁极，杯底铜柱连接电源。在自由转动导线的那一端，也有一个稍浅的水银杯，中间固定一只磁极，杯底也有导线与水银连通着。”法拉第指出，这个装置比较小，但比较灵敏，当接通电源时，导线与磁极将同时产生旋转运动。请解释这个现象。

思考题

你还能想出其他类似的现象吗？

【注释】

[1]王洛印，胡化凯.法拉第对电磁旋转现象的研究[J].自然科学史研究，2008，27(4):423—424.