中学物理优秀教学论文LED及其在电磁学演示实验中的应用

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中学物理优秀教学论文LED及其在电磁学演示实验中的应用
摘  要：发光二极管发光原理、发展近况及主要应用。用发光二极管代替电流计，对电磁感应现象和电磁振荡等演示实验进行改进后，明显提高了实验的效果。本文就这几方面进行了阐述。
关键词：LED，电磁学演示实验
引言
    当前我们所处的时代是信息产业快速发展的时代，或者形象地说，是信息爆炸的时代，作为信息显示的一种手段，发光二极管占有日益重要的地位，由于其产品自身所固有的可靠性高，功耗低，抗冲击，使用环境温度广等一系列优点，广泛用于国民经济的诸多领域和国防工业之中。该产品按用途的特征来分类，可以分为两类:第一类是作单个或几个排列有序的指示灯，第二类是用作图文显示。而物理学实验中有很多不足之处需要改进的，而二级管的特性决定了它是最合适的候选对象。
1.  LED发光原理
    半导体发光二极管是常用电子元件二极管中的一种类型。发光二极管又叫光发射二极管（Light Emitting Diode，简称为LED），是一种可将电能变为光能的一种器件，属于固态光源。世界上于1960年前后制成GaP发光二极管，于1970年后开始进入市场，当时的LED以红色为主，由于光效率较低，光通量很小，因此只能在电器设备和仪器仪表上作为指示灯使用。随着管芯材料、结构、封装技术和驱动电路技术的不断进步，LED光色种类的增加，发光效率和光能量的提高，目前LED已在科研和生产领域得到了广泛的应用，产业建设快速发展，市场应用数量增长迅猛。尤其是近年来高光效、高亮度的白色LED的开发成功，使得LED在照明领域的应用成为可能。人们普遍认为，LED在不久的将来将部分代替传统的白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯，成为一种新型的照明光源，那将是一场照明领域的革命。
     1.1   发光原理
    用于照明的电光源，根据发光的机理主要可分为热辐射光源、气体放电光源和场致发光光源等几大类。目前广泛应用的是以白炽灯为代表热辐射光源和以荧光灯为代表的气体放电光源，而场致发光则是一种正在发展中的新型面光源。场致发光又称为电致发光，根据发光原理的区别，场致发光有本征场致发光和注入式场致发光之分，半导体发光二极管的发光为注入式场致发光，是一种固体在电场作用下直接发光的一种现象。 半导体发光二极管发光原理：发光二极管是由Ⅲ~Ⅳ簇化合物，如GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结，因此它具有一般PN结的I-U特性，即正向导通，反向截止，击穿特性；此外在一定的条件下，它还具有发光特性。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。当在发光二极管PN结上加正向电压时，空间电荷层变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入N区，N区的电子注入P区。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇复合时会把多余的能量释放并以发光的形式表现出来，从而把电能直接转化成光能，这种复合所发出的光属于自发辐射。当在发光二极管的PN结上加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

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     1.2    LED发展现状
     目前发光二极管主要用于一些特殊的场合，如景观照明市场：包括建筑装饰、室内装饰、旅游景点装饰等，如重要建筑、街道、商业中心、名胜古迹、桥梁、社区、庭院、草坪、家居、休闲娱乐场所的装饰照明，以及集装饰与广告为一体的商业照明。广泛使用的光源应该是白色的LED，由于现有的白色的LED的光效不够高，功率不够大，因此近期内还不可能成为照明光源的主力。只有在一些技术问题上得以改进，才能成为照明世界的主导者。

      2  在电磁演示实验中的应用

      2.1   导体和绝缘体
在讲到导体的导电性时,常用演示实验说明一些常见物体中哪些是导体,哪些是绝缘体。也就是将待测物体接入闭合电路中,看有无电流。如果将发光二极管和待测物体串联接入闭合电路中,并使二极管正向偏置  (如图),只要观察发光二极管是否发光即可。因为二极管的正向导通电压很小,所以一般除绝缘体外,良导体和不良导体接入电路发光二极管都发光。若将铝箔、水、鲜苹果、铅笔的笔芯部分、塑料片、纸片、铅笔的木杆接入电路中,则前四种能使二极管发光,后四种不能,说明前四种是导体,后四种是绝缘体。这与我们的预期结果是一致的。但若用白炽灯泡代替发光二极管,苹果和水等接入电路后,因为电流较小不能使二极管发光。这会使学生认为苹果和水是绝缘体,给学生以误导。将铝箔等片状物接入电路,可以用鳄鱼夹夹住铝箔;将苹果接入电路,要用两大头针插入苹果中。

2.2电磁感应现象演示实验的改进
    原电磁感应现象演示实验是用电流计来测量电路中有无感应电流和感应电流方向的.由于需要根据电流计指针的偏转方向来判断感应电流方向，因而实验时必须先验证电流方向与指针偏转方向的关系，而指针由于惯性会使偏转比较混乱，直接影响实验的效果，如果用发光二极管代替电流计，则可使实验效果明显提高.
实验原理:利用发光二极管的单向导电性和发光特性，观察电路中有无感应电流以及感应电流的方向.
     如图所示，用一个n = 1600匝的线圈与两只发光二极管D1  D2 构成回路.将条形磁铁的N极向下迅速插入线圈，二极管D2发光，D1，不发光，说明穿过线圈的磁通量增加，有感应电流且感应电流的方向如图所示将磁铁快速向外抽出，二极管D1发光，D2不发光，说明穿过线圈的磁通量减少，有感应电流且感应电流的方向如图中I2所示.
    磁铁与线圈相对静止时，两只二极管均不发光，说明没有感应电流.这一实验结果揭示了电磁感应现象的一般规律，即:只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就产生感应电流产生.并且，根据两只二极管的发光情况可以直接看出感应电流方向，从而也验证了楞次定律，加深了学生对楞次定律的理解.

      2.3演示自感现象
    自感现象是指由于线圈白身电流的变化引起线圈自身磁通量的变化，从而线圈自身产生感生电动势的现象。自感是对一个线圈而讲的，当线圈中的电流发生变化时，引起所激发的周围空间磁场发生变化，同时也会引起线圈自身的磁通量变化。
    如图所示，用一个n = 400匝带有铁心的线圈和发光二极管D以及电源、开关连成闭合回路。当开关K闭合或断开时，线圈中的电流发生变化，引起穿过线圈本身磁通量的变化，在闭合回路中产生感生电动势。这时线圈和发光二极管组成闭合回路，在回路中有感生电流，二极管发光。

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    首先闭合开关K，由于发光二极管反向连接，所以不发光。线圈与电源构成闭合回路。
    然后突然断开开关K，在断开瞬间，发光二极管突然发光。
    如果，线圈两端并联一个电压表，当开关K断开的瞬间，注意观察会发现电压表示读数先增大后减小，最大时数值要超过原来电源的电动势。根据法拉第电磁感应定律，电动势的大小与磁通量随时司的变化率成正比，与产生电流的电源电动势无关。
实验结果表明，在断开电路瞬间，线圈本身的磁通量减小产生感生电动势(即自感)，这时线圈和发光二极管组成闭合回路，相当于电源给发光二极管供电，从而导致二极管发光。二极管的发光也说明了线圈中的感生电流方向与原通电电流方向相同。从而证实了自感电动势总是阻碍电路中电流的变化这一特性。

    2.4演示互感现象
    互感现象是指当一个线圈中的电流发生变化时，引起周围空间磁场的变化，从而使处于此空间的另一个线圈的磁通量变化，产生感生电动势的现象。对于互感现象我们也可以用发光二极管来演示产生的感生电流。
如图所示，在一矩形闭合铁芯的两侧分别套上n1 = 400匝的线圈N1和n2 = 400匝的线圈N2，N1与电源、开关构成回路。N2与两只发光二极管D1和D2构成回路。
实验原理:如图所示线圈N1与电源相连接，当K闭合或断开时，线圈N1中的电流增大或减小，使得线圈N1周围的磁场增强或减弱，从而引起线圈N2中的磁通量增加或减少，在线圈N2中产生感生电动势，线圈N2又与发光二极管D1或D2组成闭合回路，产生感生电流。根据D1或D2的发光情况可以判断感生电流的方向。
    演示时，首先闭合开关K，此时可以看到开关闭合瞬间二极管D2发光。这说明线圈N1的磁通量增加，引起线圈N2的磁通量增加，在线圈N2中产生感生电动势和感生电流使D2发光。
持续通电过程中两只二极管均不发光，这说明线圈N2中没有电流。然后断开开关K，在断开瞬间二极管D1发光。这说明线圈N1的磁通量减少，引起线圈N2的磁通量减少，在线圈N2中产生感生电动势和感生电流
阻止磁通量的变化。
    以上实验现象，说明了线圈N1中磁通量变化时，会在线圈N2两端产生感生电动势(即互感)，且线圈N1中磁通量变化不同(增大或减小)时线圈N2中产生感应电动势方向相反。这一实验又进一步验证了电磁感应现象的一般规律和楞次定律。

    2.5  演示双线绕法可以避免断电自感
      自感现象在现实生产和生活中，既可以利用，又存在弊端和危害。特别是当电路突然断开时，由于电流随时间的变化率非常大，所以根据自感电动势: 可知，自感电动势就非常大。如果不加以防治，容易导致事故和危害。为避免自感电动势的副作用，通常采用双线绕法。
    如图所示，用一个n=800匝双绕线圈与两个发光二极管D1,D2和单刀双掷开关及电源组成闭合回路。在双绕线圈中取出中心抽头A，则线圈a端与中心抽头A之间为一单绕800匝线圈。实验原理:当采用双线绕法时，线圈中相邻导线中的电流方向都相反，电流产生的磁场方向也相反，当线圈中的电流发生变化时，外线圈相反的两个电流的作用相反，磁通量的变化相互抵消，从而减小自感电动势，避免断电自感的危害。
首先将单刀双掷开关K掷向左时，发光二极管Dl与单绕圈并联且与电源构成闭合回路，这时D1和D2均不发光。当开关K断开的瞬间D1发光，D2不发光。说明单绕线圈断开电路时有自感现象。

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将单刀双掷开关掷向b时，线圈为双绕线圈，发光二极管D2与线圈并联和电源组成回路，这时D1和D2均不发光。当断开开关K时，可以发现二极管D1 ，D2仍不发光。
实验结果证实了双绕线圈可以避免断电自感现象的产生。
    2.6  演示电磁振荡
如图所示

将两只发光二极管D1，D2串人电容和电感线圈组成的LC振荡回路中。
将开关K掷向a，给电容器C充电，然后将开关K掷向b闭合LC回路，可以看到发光二极管D1，D2交替发光。这说明LC回路中有振荡电流产生，进一步分析得出振荡电流是由于电场能和磁场能反复转化产生的(即电磁振荡)。
改变电容器的电容或电感线圈的匝数，可以明显的看出两只发光二极管发光的时间间隔发生变化，从而得出LC振荡电路的振荡频率与电容和电感的大小有关。

结束语
    利用发光二极管代替灵敏电流计，做电磁现象、自感现象、互感现象以及电磁振荡的演示实验，利用其单向导电性和通电发光特性，来演示验证实验中有无感生电流产生以及感生电流的方向，这样，操作方便，效果明显。在教学实验中，既能激发学生的学习兴趣，又便于学生观察实验现象并总结分析实验结果。