为了帮助中学生在学习物理电学时能够迅速、准确地理解“电流”的概念,直观简便地检测和验证电路中电流的方向,我们设计了本文介绍的电流方向演示器。它的特点是用发光点的定向移动来模拟正电荷的移动,以较为直观的方式表达出电流的基本属性;在实验中从微安级到安培级的电流都能清楚地显示其方向,比使用电流表更方便、更可靠、更安全。
电流方向演示器的电原理图见附图。电压比较器IC2-1、IC2-2与VD1、VD2等组成电流方向检测电路。在没有电流流过VD1、VD2时,IC2-1同相输入端(+端)电位为5/9V\(_{CC}\),比反相输入端电位(1/2V\(_{CC}\))高,所以输出为高电位:IC2-2同相输入端电位为1/2V\(_{CC}\),比反相输入端电位4/9V\(_{CC}\)高,输出也是高电位。两个电压比较器的输出作为与非门IC3-1的输入,IC3-1输出为低电位,由IC3-2、IC3-3及R10、R11、C1组成的多谐振荡器停振。与此同时,发光二极管VD3~VD22的阴极为高电位,处于熄灭状态。当有电流从A流向B时,IC2-1同相输入端电位(5/9V\(_{CC}\))比反相输入端电位(1/2V\(_{CC}\)+VD2正向压降)低,IC2-1输出低电位;IC2-2同相输入端电位(1/2V\(_{CC}\)+VD2正向压降)比反相输入端电位(4/9V\(_{CC}\))高,IC2-2输出高电位。这时,与非门IC3-1输出高电位,多谐振荡器振荡,向十进制计数/分配器集成电路IC1发出连续的时钟脉冲CP,在Q0~Q9端依次输出高电位,由于IC2-1输出为低电位,使发光二极管VD3~VD12的阴极为低电位,所以VD3~VD12将依次发光;同理,当电流方向变为从B到A时,则VD13~VD22将依次发光。VD3~VD12和VD13~VD22在演示器的面板上的安装顺序是反方向排列的,这就达到了以发光点的定向移动来模拟电流方向的目的。
