簡易直流電動機設計與制作

陳文同 孫豐富

摘 要： 簡易直流電動機制作是 “電磁現象”的一個重要應用，對學生掌握電動機基本構造和工作原理起到抽絲剝繭、層層推進的作用.圍繞簡易直流電動機的工作原理、制作方法和對比理解，以及制作過程中出現的各種問題分析和處理技巧，使學生在有法可依的條件下成功完成制作，從而感受物理的科學之美.

關鍵詞： 設計原理;對比理解;問題分析;處理技巧

魯科版《物理》九年級下冊“電磁現象”中學習電動機，在課堂演示直流電動機教學中，學生能較為直觀的認識其主要結構和各個部分的作用，但對于初學的初中生來說真正掌握其工作原理較為困難，特別是關于“換向器”“平衡位置”“電刷”等附加結構概念理解存在思維障礙（無換向器）情況，再結合模型和掛圖模擬演示，并配合課件講解換向器作用和直流電動機原理[1].教材“做中學”環節設計有“讓線圈轉起來”的動手制作，但描述較為簡潔，致使學生制作成功率較低.筆者在指導近幾屆學生制作過程中概括出常出現的問題和解決方法，總結一個便于學生動手操作的制作方案，方案圍繞簡易直流電動機的制作方法（工作原理）、制作器材和制作過程展開，對比實驗室演示直流電動機，理解主要部件及其作用，解決上述問題.

1 演示直流電動機的工作原理

通電導線在磁場中會受到力的作用，如圖1所示，當瞬間通斷電路時導體ab會在磁場中運動，其力的大小由電流大小和磁場強弱決定.如圖2所示把直導線換為通電線圈放入磁場中，根據左手定則可知線圈的ab、cd部分因會受到大小相等但是方向相反的兩個力而轉動起來.當轉至平衡位置如圖3所示ab、cd所受的力正好在一個平面，此時的力矩為零，由于慣性線圈會繼續轉動而轉過平衡位置，但此后力的方向和運動方向相反，導致線圈在該位置往返晃

動，不能持續轉下去，最終會停留在平衡位置[2].為使線圈持續轉動，就必須改變ab、cd受力的方向，有兩種方法可以實現：第一種方法是在平衡位置改變線圈中電流的方向;第二種方法是在平衡位置改變磁場的方向，且兩者只能選其一.在實驗室演示用直流電動機采用的方法1來改變線圈受力方向，如圖4所示裝置實現，該裝置稱為“換向器”， 由兩個銅制半環組成，其作用是換向器同通電線圈在磁場中受力轉動，且與連接電源兩極的電刷相接觸（如圖5所示），當線圈利用慣性轉過平衡位置時，兩個半環實現位置完全互換達到線圈中電流方向改變的目的，致使線圈受力的方向發生改變，從而保持原來的轉動方向繼續轉動，循環此過程解決了線圈在平衡位置受力平衡靜止不轉動的問題，實現了線圈的持續轉動.

2 簡易直流電動機制作

2.1 材料與工具

漆包線1.5m（可去電機維修店咨詢），小刀1把，硬金屬絲（銅絲為佳）約0.5m，泡沫板一塊，一號干電池2節（帶電池盒），導線若干，磁鐵一塊，單擲開關一個.

2.2 制作方法

（1）把漆包線繞制成約為3cm×2cm的矩形線圈，漆包線在線圈兩端伸出約3cm的引線（如圖6所示），然后用小刀刮兩端引線，一端漆全部刮掉，另一端漆只刮掉一半（如圖7所示）.

（2）用硬金屬絲做兩個支架，固定在泡沫板上，兩支架分別用導線與電源的兩極相連.

（3）把線圈放在支架上（如圖8所示），磁鐵放在線圈下，閉合開關觀察線圈運動情況，用手輕撥動一下線圈，線圈就會不停的轉動起來（如圖9所示）.

2.3 制作簡易直流電動機常出現的問題和解決技巧

常出現的問題有：一是線圈不轉動，二是線圈有跳動現象或是很快停止轉動.

造成線圈不轉的原因通常有以下幾個方面：（1）電路因引線端漆刮不干凈出現接觸不良，可在電路中串入一個發光二極管進行反接.（2）漆包線直徑大且匝數多，造成引線與金屬絲支架摩擦大，一般情況下線圈做成3cm×2cm的矩形或是橢圓形即可，匝數視漆包線直徑大小自行調節，一般不超過5匝.（3）漆包線引線部分漆刮去的比例大，造成電路幾乎一直處于通路狀態，通常情況下引線一端全刮，另一端刮去一半，且注意盡量做到刮漆交界面與線圈所在平面垂直.

線圈出現跳動或是很快停止轉動原因：很多同學興致勃勃的做好線圈后便急著放入支架中，結果看到線圈晃動幾下就停止或較長時間的處于晃動狀態，其實這部分同學處在成功的邊緣，他們忽略了線圈通電前的平衡性檢測，即線圈在不通電的情況下可以自由地在水平方向靜止平衡而非是豎直方向.制作時兩根引線與線圈要在水平桌面上且使兩根引線在同一直線上，同時使引線基本通過線圈中心，使線圈在以引線為轉軸時能夠保證平衡轉動[3].

3 與實驗室用“演示直流電動機”對比

實驗室演示直流電動機工作原理在前面已做介紹，其主要構造如圖10所示，在簡易直流電動機中的引線漆是絕緣體，刮去以后，線圈中就會有電流，只有當線圈中有電流時，線圈才會受力發生轉動，所以刮漆的目的是使線圈能夠導電.采用引線另一端刮半周漆，從而實現電路處于斷路狀態和通路狀態的交互，使線圈依靠自身慣性轉過平衡位置，線圈的轉動為加速和減速交替.因此，與實驗室用“演示直流電動機”相比較，刮漆和使用換向器的作用是等效的，都是為了使線圈能夠持續的轉動下去，所以這刮半周漆就相當于換向器，兩個支架（如圖11所示）的作用則相當于“演示直流電動機”的電刷（圖12所示）.

相比之下，該簡易直流電動機對于如何實現持續的轉動方法上更為簡單，省去換向器、電刷的要求，學生采用身邊易得的實驗器材進行制作要求較低，但思路很清晰，從而實現直流電動機工作原理的掌握.通過制作簡易直流電動機，使換向器等抽象概念的理解不再局限于文字的表述，而是學生真真切切觀察和體會，當學生親手制作的線圈轉到起來時，他們收獲的不僅僅是直接體驗到成功的喜悅，更是對于動手能力的培養和自信心的提升.

初中階段的物理教學，以培養學習物理的興趣、掌握一定的物理方法、具備初步的物理思想和實驗技能為主要目標[4].一個能利用所學物理知識自制簡易直流電動機的同學，自然他對電動機的結構和工作原理掌握在心，更重要的是培養了一種從學習掌握科技知識到轉化應用的意識，這樣一個在 “體驗中感悟、感悟中生成”的過程，正是物理學科核心素養的基本要求.

參考文獻：

[1] 謝桂英.磁懸浮直流電動機和換向器原理直觀演示儀[J].中學物理，2014，32（16）：33.

[2] 何慧穎，劉大誠，孫博.義務教育教科書（五.四學制）九年級下物理[M].濟南：山東科學技術出版社，2012.

[3] 陳士元.直流電動機設計與制作[J]. 物理之友，2016，32（7）：29-31.

[4] 鄧穎.巧用“實現指標”構建高效課堂[J].中學物理教學參考，2016，45（10）：67-69.