自制“電磁軌道炮”和“直流電動機”

王詩源　張春麗

摘 要：中學物理實驗是培養學生科學觀察、實驗能力、科學思維、分析和解決問題能力的主要課程之一。電磁軌道炮和直流發動機是中學物理電磁學方面的重要學習樣例。該研究首先從物理的角度介紹了電磁軌道炮和直流電動機的原理，然后提出如何根據電磁軌道炮和直流發動機的理論設計并實現電磁軌道炮和直流電動機，并根據真實實踐情況提出電磁軌道炮和直流電動機的一些改進，使得設計的電磁軌道炮和直流電動機運行更加穩定。該研究重點介紹了電磁軌道炮和直流電動機的設計實踐過程。

關鍵詞：電磁軌道炮 直流電動機 中學物理 物理實驗

中圖分類號：TJ39 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0180-04

Abstract：Rail gun and DC motor are important samples of electromagnetism in high school physics experiments.This paperint roduces principles of rail gun and DC motor from the physical point of view.Then，the procedures of building a rail gun and a DC motor are described in detail.Some tips are given in this paper to make the rail gun and the DC motor more stable.

Key Words：Rail Gun；DC Motor；High School Physics；Physics Experiments

中學物理實驗是培養學生科學觀察、實驗能力、科學思維、分析和解決問題能力的主要課程之一。在中學物理實驗學習中，深切地感受到課堂實驗實踐的重要，但參加課外興趣小組，鍛煉動腦動手能力和親自探索實驗更為重要，因為這樣做不僅可以增加感性認識，還可以培養學生的探索精神和創造性，激發對物理乃至其他自然學科的學習激情，進而實現學用相長。

電磁軌道發射是一種能將物體加速至超高速度的新型發射方式，它利用電磁力驅動有效載荷，能將電磁能轉換成機械動能，可加速包括彈丸、炮彈、導彈、火箭、衛星、飛機等在內的多種物體[1]。直流電動機是將直流電能轉換為機械能的電動機，具有良好的機械特性，能在大范圍內平滑調速、起動、制動和正反轉等，目前在傳動領域仍占主要地位[2]。該研究就電磁軌道炮和直流電動機的實踐作介紹。

1 電磁軌道炮

電磁軌道炮是一種利用電流磁場產生的作用力驅動炮彈加速運動的武器，由于它具有無聲、無煙、可控等特點，所以電磁軌道炮己經引起許多軍事科學家的關注和重視。在高中學習中經常遇到關于電磁軌道炮的題目。

就此思路，通過課外翻閱有關資料，經過多次試驗，嘗試制作了一個簡單的電磁軌道炮實驗，并發現問題改進設計，提高了電磁軌道炮的穩定性，現與喜愛物理實驗和動手的各位同學分享。

1.1 電磁軌道炮原理

電磁軌道炮系統一般由發射電源、充電電源、電感器、彈丸、軌道、電樞、炮管等部分組成。其中，充電電源是向電磁軌道炮提供單次或多次發射時所需能量的儲能裝置；發射電源與電感器共同組成脈沖形成網絡，從而向電磁軌道炮系統提供所需的工作電流，其能量來源為充電電源；軌道一般是由導電性能好而且抗磨損的金屬構成，與電源和彈丸組成閉合回路；電樞的作用是傳導電流并承受洛倫茲力，從而推動彈丸作加速運動。

電磁軌道炮系統的運行一般由三個過程構成：充電過程、發射過程和饋電過程。

（1）充電過程。由于電容器部分儲能密度較低，所以每次發射后的殘余能量較低，從而必須對電容器充電以進行下一次發射。一般來說，電容器采用恒流充電的方式，所以向電容器組充電前，需要將發電設備輸出的電流進行整流，得到近化為常值的電流，最后再向電容器組輸入得到的電流[3]。

（2）發射過程。電磁軌道炮一般由兩根相當炮管長短的固定平行導軌和一個沿導軌軸線方向滑動的電樞組成，彈丸放置在導軌上使得導軌、彈丸和電源形成閉合回路。當發射彈丸時，電源向導軌系統供電，強大的電流流經兩平行導軌，在電樞形成的磁場作用下，兩導軌間產生的方向相反的線性磁場產生強大的電磁力。電磁力推動彈丸沿導軌加速運動，從而獲得很高的初速度，彈丸沿導軌向外運動直到從炮口末端發射出去[4]。

設勻強磁場的磁感應強度為B，兩導軌間的距離為L，磁場中導軌的長度為s，炮彈的質量為m，電流I，炮彈和導軌間摩擦不計，則通過能量守恒定律計算得出炮彈的初速度。

（3）饋電過程。由于在彈丸從電磁軌道炮系統發射出的瞬間，電磁軌道炮系統的軌道中的電流依然很大，這些能量以磁場能的形式儲存在軌道和波形調整電感中。如果彈丸發射出去的時候軌道為斷路狀態，那么電流將會在瞬間發生極大的變化，從而在炮口形成高電壓，極為可能將兩條軌道間的空氣擊穿而破壞軌道。為了解決這一問題，通常將電容器組在彈丸發射出去的瞬間接入回路，從而將軌道中殘余的能量回饋給電容器組，即對電容器組充電[5]。這就是饋電過程。饋電過程不僅通過穩定電流保護軌道，而且由于將軌道中殘余的能量回饋給電容器組，對電容器組充電，也有效地減少了每次發射的能量的消耗，提高了能量利用率。

1.2 制作電磁軌道炮

（1）材料。絕緣木支架一個，兩根長約20cm的硬直銅導軌，一根長約5cm的銅導體棒（代替炮彈），兩只磁性較強的蹄形磁鐵，單刀雙擲開關一個，1.5v干電池4節，電解電容器2只，導線若干。

（2）制作過程。把絕緣支架水平放置在水平桌面上，把兩根20cm長的硬直銅導軌平行固定在木板上，兩導軌間距大約4-5cm，導軌垂直距離木板5cm。把蹄形磁鐵兩只并排放置在導軌中間，按照如圖1，連接電路就制作完成了。

剛開始制作時，沒有利用電解電容器，直接把電源連接在導軌兩端，效果很不理想。為了增加瞬時電流強度，加入了兩只電解電容器，效果非常好。

（3）使用方法。如圖1所示，連接電路后，把銅導體棒水平放置在導軌上靠近導軌一端，把單刀雙擲開關扳到1位置，給電容器充電，然后迅速把開關扳到2位置，導體棒迅速被彈射出去，做平拋運動；改變干電池的正負極，重復上述操作，導體棒會迅速被向相反的方向彈射出去。

（4）制作改進。如圖2中所示，E取24V，C取4000微法，K為單刀雙擲開關，C為容量較大的電解電容，L為自制電磁道炮的驅動線圈（多匝，直徑0.5毫米的漆包線繞在外徑6毫米的空心玻璃管上，繞大約50匝），其“炮彈”是放于上部線圈內的一根縫衣針，放置空心玻璃管內；實驗時先將K扳向1，使C處于充電狀態，然后將K扳向2，這時C進入放電狀態，電容C內的電量在極短時間內通過L進行放電，形成瞬間強大放電流，從而產生一個瞬態較大的磁場力，使電磁軌道炮管內的縫衣針很快飛出。

2 直流電動機

電動機是電器中常用的電子產品，分為直流直流電動機和交流直流電動機，直流直流電動機的原理是安培力作用下導體的運動。下面該研究將介紹直流電動機的原理和制作過程。

2.1 直流電動機原理

直流電動機是一種將直流電能轉換為機械能的機械，一般由定子和轉子兩部分組成。定子部分包括主磁極、機座、端蓋、換向極、電刷裝置等；轉子部分包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉軸、軸承、風扇等[6]。其中，主磁極由主極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構成，作用是建立主磁場；基座不僅是主磁路的一部分，還是電機的結構框架用于起支撐和防護的作用；換向極由鐵心和繞組組成，用于改善換向；電刷裝置由電刷、刷盒、刷桿和連線等組成，是電樞電路的引出和引入裝置；換向器由許多鴿形尾的換向片排列成一個圓筒片間用V形云母絕緣，兩端再用兩個形環夾緊而構成，有逆變的作用。

直流電動機的工作原理如圖3和圖4所示，每當線圈剛過平衡位置時，就改變一次電流方向，從而改變線圈的受力方向，使磁場中的通電線圈連續轉動。如圖3所示，在磁場作用下，N極性下導體ab受力方向從右向左，S 極下導體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉矩。當電磁轉矩大于阻轉矩時，電機轉子逆時針方向旋轉。把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負極。此時電樞線圈中將電流流過。當電樞旋轉到圖4所示位置時，原N極性下導體ab轉到S極下，受力方向從左向右，原S極下導體cd轉到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉矩作用下繼續逆時針方向旋轉。

2.2 制作直流電動機

（1）材料。長約15cm帶包皮的硬直銅（鋁）導線，一節鋰電池（2.8v左右），一枚圓形磁鐵（大小與鋰電池截面積相近）。

（2）制作過程。在硬直銅（鋁）導線正中間用鉗子除掉約2cm的包皮，銅（鋁）導線兩端用鉗子除掉約1cm的包皮，然后把導線用鉗子彎成如圖5線框部分的形狀。導線底部兩端各彎成弧形，略大于鋰電池直徑大小；把鋰電池外包皮去掉，裸漏出鋰電池金屬外表（表示電源的負極部分）；把磁鐵放置在鋰電池下方，線圈架在鋰電池正極上。如圖5所示。

（3）使用方法。手輕輕觸碰線圈下端，讓線圈下端裸露部分與鋰電池負極相碰，線圈便自動轉動起來；改變磁鐵的N、S極，線圈轉動方向相反。

3 結語

該研究首先介紹了電磁軌道炮和直流電動機的原理，然后提出如何根據電磁軌道炮和直流發動機的理論設計并實現電磁軌道炮和直流電動機，并根據實驗情況提出電磁軌道炮和直流電動機實驗的一些改進，使得設計的電磁軌道炮和直流電動機運行更加穩定。

電磁軌道炮和直流電動機的制作是運用高中物理基礎知識，查閱相關文獻，通過物理實驗完成的。通過物理實驗，提高了動手實踐能力，做到學以致用。制作電磁軌道炮和直流電動機讓研究者體會和領悟了課本及課本以外的物理學知識，感受了物理學的魅力，感受了物理實驗的樂趣，啟發了學用結合的真諦。

參考文獻

[1] 李軍，嚴萍，袁偉群.電磁軌道炮發射技術的發展與現狀[J].高電壓技術，2014，40（4）：1052-1064.

[2] 周金龍.直流電動機動態控制的研究[D].重慶：西南大學，2008.

[3] 丁衛東，王霞，邱毓昌.電容器恒流充電電源的通用諧振電路模型[J].高電壓技術，2002，28（2）：25-26.

[4] 胡玉偉.電磁軌道炮系統的建模與仿真[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.

[5] Spahn E， Buderer G， Gauthier-Blum C.Novel PFN with current turn-off capability for electric launchers[J].IEEE Transactions on Magnetics，2001，37（1）：398-402.

[6] 程守洙，江之永.普通物理學[M].北京：高等教育出版社，1998.