自制“活塞式”電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)是中學(xué)物理課程中一部分重要的內(nèi)容，自己動(dòng)手制作一臺簡易的電動(dòng)機(jī)，對理解電動(dòng)機(jī)的工作原理很有好處。本期介紹一個(gè)“活塞式”電動(dòng)機(jī)模型，其與傳統(tǒng)意義上的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)迥異，它的動(dòng)作結(jié)構(gòu)與內(nèi)燃機(jī)更為相似，同樣具有飛輪、曲軸、連桿、氣缸和活塞，十分有趣。

“活塞式”電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括塑料瓶蓋做的飛輪、鋼絲做的曲軸和連桿、PVC塑料管做的“氣缸”，它的“活塞”是一塊高強(qiáng)度磁鐵。當(dāng)然它還具備電動(dòng)機(jī)的特征，包括漆包線繞成的線圈和2節(jié)5號干電池做的電源。

安裝上電池，只要用手輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)飛輪，電動(dòng)機(jī)就會持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，磁鐵做成的“活塞”在PVC管“氣缸”里上下運(yùn)動(dòng)，通過連桿轉(zhuǎn)化為曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，曲軸帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而飛輪的作用與在內(nèi)燃機(jī)里的一樣，即在做功“沖程”時(shí)儲存能量，在其他時(shí)間釋放能量。

制作材料與工具

材料：PVC塑料管一段（外徑16毫米，用來做支架和“氣缸”），鋼絲（用來做曲軸和連桿），細(xì)塑料管一段（用來做曲軸和連桿的限位），電池盒1個(gè)，木板底座1塊，直徑12毫米的強(qiáng)磁鐵1塊，圓孔直徑3毫米的接線端子1個(gè)，大的塑料瓶蓋1個(gè)（用來做飛輪），直徑0.27毫米的漆包線若干、紅、綠導(dǎo)線各1根。

工具：鉗子、AB膠、小刀、鋼銼、鋼鋸。

制 作 過 程

1. 用鋼鋸把PVC管鋸成長約12厘米和5厘米的兩段，長的做支架，短的做“氣缸”。鋼絲截成長約10厘米和6厘米的兩段，長的做曲軸，短的做連桿。

2. 用鉗子彎曲長的鋼絲，做成曲軸。接線端子用AB膠粘在短鋼絲的一端，做成連桿。用小刀在長的PVC管，即在支架的一端對稱鉆兩個(gè)小孔，把曲軸穿過去。連桿也穿到曲軸上，把白色的細(xì)塑料管剪成小段，用作限位。

3. 在塑料瓶蓋正中鉆孔，并套在曲軸的末端，支架用AB膠粘牢在木板底座上。

4. 用AB膠把飛輪與曲軸末端粘在一起。飛輪與支架之間的白色細(xì)塑料管是活動(dòng)的，這樣既能使飛輪與支架保持一定的距離，又能最大程度地減小摩擦力。曲軸另外一端的白色細(xì)塑料管也用膠粘牢，其他限位管保持活動(dòng)，以降低轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候的摩擦力。

5. 把強(qiáng)磁鐵吸在連桿下端，作為電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)“活塞”。事先用鋼銼把連桿下端銼平整，這樣只需靠磁力連接就可以很牢固。至此，“活塞式”電動(dòng)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)制作完成。

6. 接下來開始電磁方面的制作。在作為“氣缸”的PVC管上打孔，交叉穿過4根牙簽，用作纏繞線圈的支架。用直徑0.27毫米的漆包線繞300圈，就做成了這臺電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力來源——電磁鐵線圈。

7. 把纏繞了線圈的“氣缸”放在連桿旁邊，調(diào)整它的高度。要求“活塞”在最低位置時(shí)，略高于線圈的上端；最高位置時(shí)，又不能脫離“氣缸”。

把“活塞”裝入“氣缸”，對正位置后，用AB膠把“氣缸”粘牢在底座上。電磁鐵線圈兩端漆包線上的絕緣漆用小刀刮掉，露出能夠?qū)щ姷你~絲，分別與電源的兩極連接。當(dāng)電磁鐵產(chǎn)生的磁場向上排斥磁鐵的時(shí)候，記住線圈的正負(fù)極連接方式。

8. 取紅、綠兩色導(dǎo)線各1根，電源正極接電磁鐵線圈的一端，線圈另一端接紅色導(dǎo)線；電源負(fù)極接綠色導(dǎo)線。當(dāng)2根導(dǎo)線末端接觸在一起時(shí)，電流就會流經(jīng)電磁鐵線圈，產(chǎn)生磁力，推動(dòng)強(qiáng)磁鐵做的“活塞”向上運(yùn)動(dòng)。

9. 把兩根導(dǎo)線的末端作為“電刷”，這是該“活塞式”電動(dòng)機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵：當(dāng)磁鐵“活塞”在“氣缸”的最下方，連桿豎直向下的時(shí)候，兩根電刷并排在連桿旁邊，互相之間沒有接觸。

當(dāng)用手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)飛輪時(shí)，曲軸向電刷一側(cè)擺動(dòng)，與電刷接觸，使得兩根電刷短路，此時(shí)電路接通，電磁鐵通電產(chǎn)生磁性，向上排斥磁鐵“活塞”，產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)力，使得飛輪繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。循環(huán)往復(fù)，活塞上下翻飛，曲軸連桿擺動(dòng)，飛輪旋轉(zhuǎn)，頗有活塞式內(nèi)燃機(jī)的架勢，趣味性很強(qiáng)。

進(jìn) 階

1.“活塞式”電動(dòng)機(jī)制作簡單，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)效果也不錯(cuò)，但如果仔細(xì)觀察你會發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)在停止轉(zhuǎn)動(dòng)之后，磁鐵“活塞”總是停在“氣缸”最下方的位置。這是因?yàn)樗亓耍瑢?dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的“質(zhì)心”偏離了轉(zhuǎn)軸，因此這個(gè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來之后震動(dòng)很大，同時(shí)也額外消耗了能量。如何改變這一不足呢？

當(dāng)“活塞”在最下方的位置時(shí)，我們可以在飛輪的上方利用磁鐵進(jìn)行配重。改變磁鐵的重量和位置，從而抵消由“活塞”的重量造成的偏心。經(jīng)過配重之后，轉(zhuǎn)動(dòng)飛輪，它可以停止在任意位置，這樣當(dāng)快速轉(zhuǎn)動(dòng)起來之后，不但轉(zhuǎn)速增加了，整個(gè)系統(tǒng)也會更加平穩(wěn)。

2. 調(diào)整電刷的位置，置于支架內(nèi)，使其更加隱蔽，效果更好。當(dāng)磁鐵“活塞”向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，曲軸讓兩根電刷短路，接通電路，電動(dòng)機(jī)獲得動(dòng)力。當(dāng)“活塞”開始向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，曲軸旋轉(zhuǎn)了180度。在曲軸的另外一面粘貼上絕緣膠帶，這時(shí)電路就會斷開，但電動(dòng)機(jī)依靠飛輪儲存的動(dòng)能可以持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

通過自制“活塞式”電動(dòng)機(jī)，你是否已經(jīng)對電動(dòng)機(jī)的工作原理有了更深的認(rèn)識？嘗試?yán)谩盎钊健彪妱?dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)制作一個(gè)有趣的作品與大家分享吧！