LED在電磁學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

1、LED在電磁學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用（浙江省泰順縣職業(yè)技術(shù)學(xué)校 蔡志剛 郵編325500）(TELMAIL：czgedu）摘 要：介紹LED的工作原理及其優(yōu)點，給出7個典型實驗的應(yīng)用示例。關(guān)鍵詞：LED；實驗教學(xué)；電流；光；應(yīng)用1、引言：在電學(xué)的一些實驗教學(xué)過程中往往存在一些缺陷比如：示教大型靈敏電流計存在靈敏度不夠，10A以下的瞬時峰值電流顯示不出來，20A峰值電流顯示可見度仍然很小，顯示反應(yīng)慢，指示值與實際電流不能及時同步，會出現(xiàn)由于指針系統(tǒng)的慣性而引起的錯誤指示，沒有電流指針還會左右擺動，電流的方向性無法準(zhǔn)確的判斷；還有在實驗演示過程往往用小燈泡來顯示電路狀態(tài)時，

2、往往無法確定電流的方向，同時小燈泡缺陷是冷態(tài)電阻小，接通電路瞬間在較大電流沖擊下易燒壞小燈炮，等等實驗教學(xué)缺陷使得有些實驗演示效果很差甚至無法演示，為了克服這些缺陷，解決一些演示實驗中的難題，筆者利用發(fā)光二極管（簡稱LED的）特點，結(jié)合自己的教學(xué)實踐，介紹一些優(yōu)化的實驗教學(xué)。2、LED的結(jié)構(gòu)及工作原理：LED乃是Light Emitting Diode(發(fā)光二極管)之縮寫。它是在半導(dǎo)體p-n結(jié)或類似的結(jié)構(gòu)中通以正向電流，以高效率發(fā)出可見光或紅外輻射的器件。由于它發(fā)射準(zhǔn)單色光、所消耗的功率數(shù)量級為10-6瓦、發(fā)光響應(yīng)時間短、亮度高、尺寸小、壽命長和廉價，因此被廣泛用作儀表的指示器、光電耦合器和光

3、學(xué)儀器的光源等領(lǐng)域。LED有許多種顏色，通常通電情況下會發(fā)白光、紅光，綠光，黃光，橙光，以及藍(lán)光等。而其尺寸及外觀有相當(dāng)多種選擇，圓形者有常見的3mm，5mm，甚至更大的直徑都有，如圖一； 另外有三只腳的雙色LED，把兩種不同顏色（通常綠色和紅色）的LED做在同一個包裝里，采用共陽極或共陰極的設(shè)計，如圖二中第一個雙色LED的符號表示的雙色發(fā)光二極管有三只引腳，其中兩個管芯的負(fù)極連在一起成為公共極K。當(dāng)在R上加正向電壓(25v)時，管子發(fā)紅光，在G上加正向電壓時，管子發(fā)綠光。圖二中第二個雙色LED的符號表示的雙色LED是由兩種不同材料的管芯反向并聯(lián)構(gòu)成。在陰極和陽極之間分別加正向電壓或者負(fù)向電壓

4、時時，會發(fā)紅光或者發(fā)綠光。如在兩端加交變電壓且周期小于人眼的視覺殘留時間(0.1秒)，則發(fā)橙光。結(jié)合LED的特點運用在物理實驗教學(xué),既新穎又直觀.述實驗中充分地體現(xiàn)實驗的直觀性、形象性的要求，同時是一種環(huán)保節(jié)能的演示器材。下面結(jié)合實例舉它的一些典型應(yīng)用。3、光源的應(yīng)用示例：LED作光學(xué)實驗中的光源 研究凸透鏡成像中。一般采用的光源是一支點燃的蠟燭。由于亮度不足，效果往往不是很理想。本人用高亮度LED來代替蠟燭，取得了較好的效果。具體制作方法是：取只直徑的高亮度LED，在一平面上排成如圖的形狀，每個二極管串聯(lián)一個的限流電阻，電源電壓取伏，電路見圖。上述元件可裝置在一塊三合板上。把此板插在光具座上

5、，閉合電鍵，就可以開始實驗了。     此板不僅亮度高，而且排成“”形，更容易使學(xué)生分清光屏上成像是倒立還是正立。在制作時高亮度LED可用紅色的，也可用綠色的，也可搭配使用。限流電阻阻值越小，發(fā)光越強?？紤]到二極管的壽命，每個二極管的電流不宜超過。改進實驗設(shè)備的優(yōu)點：克服了光的亮度不夠、提高光源的穩(wěn)定性、克服了實驗環(huán)境的污染。提高實驗的效果。示例：LED代替小功率的燈泡（電珠）實驗課中小燈泡是一種常見輔助性演示器件。它雖然使用較方便，工作原理較為簡單，但缺點是冷態(tài)電阻小，接通電路瞬間在較大電流沖擊下易燒壞小燈炮，而且裝接和拆卸的過程中易扭斷小燈泡。LED

6、與小燈泡相比，具有以下優(yōu)點：(1)壽命長。因LED工作電阻較大，克服了小燈泡受沖擊電流易燒毀燈絲的缺點，在額定電壓下可工作10萬小時以上；(2)成本低。它的消耗功率比小燈泡要低；(3)每只單價要比小燈泡要低。所以一些實驗當(dāng)中可以用LED代替小功率的燈泡，缺點：LED是一種非線性(即非純電阻)器件，在定量研究電路時要注意這一點。4、雙色LED在定性比較交直流電中的應(yīng)用 示例： 如圖2所示，把雙色LED和限流電阻固定在木棒上，演示時先接直流電(6v)，因僅一只管單色發(fā)光，所以當(dāng)左右揮動木棒時觀察到的是一條紅或綠色亮線圖2(a)，然后改接交流電(6v)，因雙色LED中兩管芯是交替發(fā)光，當(dāng)木棒靜止時雙

7、色LED發(fā)橙光。當(dāng)揮動木棒時可以看到一條紅綠混合光（橙光）的亮線圖2(b)。因此從兩次結(jié)果可以直觀、明顯地觀察交直流電顯示的區(qū)別。5、電流方向判斷、感應(yīng)電流大小的應(yīng)用為了使學(xué)生在物理電學(xué)學(xué)習(xí)中迅速、準(zhǔn)確地理解“電流”這一概念，以及在電學(xué)實驗中直觀簡便地檢測和驗證電路中的電流（感應(yīng)電流）方向。用雙色LED發(fā)光的顏色不同，比較直觀地表達(dá)出“電流”的基本屬性及方向的判斷。同時在實驗中，從微安級到安培級的電流都能以最直觀的方式表示其方向。比使用靈敏靈敏電流計更方便、更可靠、更安全，示例：演示單根導(dǎo)線上的感應(yīng)電路（電磁感應(yīng)現(xiàn)象）有一個60-80cm的絕緣體導(dǎo)線，兩端分別接到雙色LED的陽、陰極兩端，手拿

8、導(dǎo)線的中間部分放入蹄型磁鐵磁場中并做切割磁感應(yīng)線運動，雙色LED就會發(fā)出光，當(dāng)運動的方向不同時，分別發(fā)不同的光，運動的速度快慢，光的亮度分別不同，可明顯地驗證磁場、導(dǎo)線運動的速度、感應(yīng)電流三者的方向關(guān)系既右手定則，也可以定性驗證法拉第電磁感應(yīng)定律。示例：雙色LED交替在電磁感應(yīng)現(xiàn)象實驗中代替靈敏電流計的作用靈敏靈敏電流計(G表)在此實驗中只是定性認(rèn)識回路中有電流產(chǎn)生及電流的方向。利用雙色LED代替G表更能直觀形象地表述實驗結(jié)果。圖3所示，在外徑為3cm的線圈管上，用0.18mm，漆包線密繞1000匝左右，頭尾引線分別與雙色LED兩管腳相接。當(dāng)磁鐵插入或拔出線圈時，可以察到兩種不同顏色的光。加快

9、磁鐵插拔的運動速度，光的強度也隨之增加，因而從雙色LED所呈紅、綠色中斷定回路感應(yīng)電流的方向。再利用右手定則來驗證感應(yīng)電流方向是否與判斷結(jié)果相符。從雙色LED所發(fā)光的強度來斷定磁通量的變化率與感應(yīng)電流的大小的定性關(guān)系，以便學(xué)生更深刻理解楞次定律。示例：雙色LED在自感現(xiàn)象實驗中的應(yīng)用在自感現(xiàn)象的演示實驗中，演示教具往往不能發(fā)現(xiàn)小燈泡有明顯“延時”現(xiàn)象，缺乏說服力，而且電路在閉合斷開前后的電流變化不能直觀表示出來。為了解決這個問題，筆者用兩個LED反向并聯(lián)再串聯(lián)一個限流電阻R（阻值為500左右）（圖）代替原來的小燈泡，如圖4(a)所示，當(dāng)開關(guān)S閉合時，因雙色LED屬于電流控制型器件，其發(fā)光亮度與

10、正向電流成正比，可以看出雙色LED2比雙色LEDI“延時”亮。過一段時間后LED2可達(dá)到LEDl的亮度。在斷開S瞬間，LEDI、LED2并不立即熄滅，此時看到的現(xiàn)象LEDI發(fā)紅光(假定狀態(tài))，而LED2卻發(fā)綠光，因為閉合回路的電流流向發(fā)生了變化。同樣我們也可以看到圖4(b)中的雙色LED在電鍵斷開后并不立即熄滅，而且可以看到前后發(fā)光的顏色不一樣，從改進的電路中明顯地看到電路中的感應(yīng)電流的反向過程，深刻地感悟到線圈的自感作用，使實驗過程更具有說服力。示例：雙色LED代替三相發(fā)電機模型中的小燈泡 實驗過程中傳統(tǒng)三相發(fā)電機模型需要轉(zhuǎn)速很快，才會產(chǎn)生較大感應(yīng)電流，讓三只小燈泡發(fā)光。使用起來特別費勁。為此對電路進行改進，如圖5所示，把發(fā)電機的感應(yīng)線圈內(nèi)阻做得較大，可采用0.18mm小直徑漆包線繞制每相線圈電阻500。三只小燈泡分別用三只雙色LED代換。此時只要緩慢搖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子一周，每相產(chǎn)生感應(yīng)電流就很容易分別依次點亮三只雙色LED。且轉(zhuǎn)向不同時，產(chǎn)生感應(yīng)電流方向不同，三只雙色LED又變成了另一種顏色。當(dāng)轉(zhuǎn)速快到一定程度以后，LED交替閃光加快到LED幾乎一直發(fā)光（橙色光），無法分辯出其（電流）方向的改變，這正好說明50HZ交流電通過燈泡而看不出