3種太陽能動力磁懸浮演示儀器

魏 勇，張竟原，蘇于東，劉春蘭，姜友嫦

(重慶三峽學院 物理學基礎實驗教學示范中心，重慶 404120)

太陽能是可再生資源，是現代人類使用的能源類型中不可或缺的部分，自1615年法國工程師所羅門·德·考克斯制造第1臺太陽能驅動的發動機算起，經過了300多年到現在，太陽能已經融入人們的生活之中[1]. 在現代物理教育中十分有必要將有關太陽能的知識引入到物理課堂中[2]，通過相關的模型來輔助教學，并讓學生親自動手實踐，實行互動的教學模式,這樣不僅能將枯燥的知識變得生動有趣,讓學生易于接受,還能激發學生的學習興趣，并且傳播新能源知識，讓更多的低齡學生可以親身感受到太陽能能源的優勢和實踐應用的相關知識. 本文介紹了3種太陽能動力的物理演示儀器，能夠生動形象地演示太陽能在物理中的實際應用.

1 太陽能電池板原理

太陽能電池板依據某些特定材料的光電性質制成，其具體原理是利用了半導體PN結這一特性,其結構如圖1所示. 若用導線將半導體的兩端連接構成閉合回路，在回路中會產生穩定電流. 利用這一特性，將硅晶片制成太陽能電池板，當有陽光照射到晶片表面時，光子會激發晶片中的自由電子，產生空穴，空穴與自由電子擴散產生電場，進而產生電勢差，當光強越強時，光子激發的自由電子越多，產生的電勢差越高[3-4].

圖1 半導體PN結示意圖

2 儀器介紹

2.1 太陽能電磁動力旋轉儀器

如圖2所示，太陽能電磁動力旋轉儀器包括太陽能電池板、線圈、轉子和轉盤. 儀器工作時，太陽光照射在太陽能電池板上，太陽能電池板產生的電流流入底部線圈中，線圈激發磁場，磁場與底部轉子中的小磁鐵相互作用產生力矩，使中心轉子轉動.

在頂部太陽能電池板中，相鄰兩太陽能電池板為同一組，連接底部同一線圈，轉盤表面設有兩陰影部分，在轉動時能夠阻擋太陽光的照射，避免太陽光同時照射所有太陽能電池板. 轉盤轉動時，被遮擋的2組電池板所對應的線圈產生兩極性相反的磁場，未被遮擋的一組電池板在線圈中產生大小相等、方向相反的電流，故不激發磁場，通過這種方式，間接實現了線圈換向的功能[5].

(a)正視圖

(b)俯視圖

(c)實物圖圖2 太陽能電磁動力旋轉儀器結構圖

2.2 太陽能永磁懸浮旋轉儀器

如圖3所示，太陽能永磁懸浮旋轉儀器包括太陽能電池板、底部永磁體、轉軸永磁體、合金轉軸、底座和線圈. 轉軸永磁體由兩環形永磁體構成，其中一永磁體固定于合金轉軸，另一永磁體固定于底座側面，兩永磁體相對平面所對應的極性相反，通過永磁體的磁力與底座側面對轉軸支持力共同作用，可實現將轉軸及太陽能電池板懸浮. 光源從某一固定方向照射于太陽能電池板，太陽能電池板產生的電流流入線圈，使線圈激發磁場，磁場與底部永磁體相互作用產生力矩，推動太陽能電池板帶動轉軸轉動.

太陽能電池板與線圈的連接方式如圖3(b)所示，其中太陽能電池板A與其對邊線圈A連接，太陽能電池板B與其對邊線圈B連接，以此方式連接，在運轉時，做正功的太陽能電池總是正對光源位置，產生較大的電流，做負功的太陽能電池板總是背對光源位置，產生電流較小，且對應線圈距離底部永磁體較遠，故太陽能電池板能朝同一方向旋轉[6].

(a)正視圖

(b)太陽能電池板與線圈連接方式

(c)實物圖圖3 太陽能永磁懸浮旋轉儀器結構圖

2.3 懸掛式太陽能葉片旋轉儀器

如圖4所示，懸掛式太陽能葉片旋轉儀器包括永磁軸承、太陽能電池板、轉子線圈、永磁定子、主軸、支撐架和底座. 太陽能電池板與其相對應的線圈連接，永磁軸承由兩環形永磁體組成，能夠實現將主軸垂直置于主體中心. 使用掛繩將儀器懸掛于空中，將光源從某一方向照射至太陽能電池板上產生電流，電流流入線圈在永磁定子的磁場中產生磁力，推動主體旋轉. 當正對光源的太陽能電池板旋轉至背對光源位置時，線圈內不再產生電流，故正對光源的太陽能電池板總能產生相同方向的磁力，可以實現主體朝同一方向旋轉.

(a)正視圖

(b)主體內俯視圖 (c)實物圖圖4 懸掛式太陽能葉片旋轉儀器結構圖

3 儀器懸浮原理

上述儀器中使用了不同的懸浮原理，使其轉軸部分與儀器其他部分不存在機械接觸，同時能夠保持自身穩定平衡.

太陽能電磁動力旋轉儀器、懸掛式太陽能葉片旋轉儀器均使用永磁軸承，永磁軸承利用2塊半徑不同的環形磁鐵，其中半徑較小的環形磁鐵置于半徑較大的環形磁鐵中心，將2塊磁鐵分別固定在儀器轉軸和主體上. 當儀器工作時，由于2塊磁鐵間磁力的作用能夠使轉軸不與主體發生機械接觸，不存在摩擦，無需潤滑，實現了轉軸的穩定旋轉.

太陽能永磁懸浮旋轉儀器能夠實現將主體部分懸浮在空中，其利用的是磁體間磁力相互吸引，與重力作用抵消. 在儀器轉軸兩端設有圓柱形永磁體，固定于主體支架中，在轉軸中同樣設有兩圓柱形永磁體，與主體支架中的永磁體相對應，所對平面的磁體極性相反，所產生的磁力相互吸引，同時利用轉軸與主體支架接觸產生的支持力與磁力、重力共同作用，實現了將主體懸浮于空中.

4 3種演示儀的異同點分析

4.1 相同點

太陽能電磁動力旋轉儀器、太陽能永磁懸浮旋轉儀器和懸掛式太陽能葉片旋轉儀器都將太陽能轉化為電能，進而將電能轉化為磁場能，再而轉化為動能，形象地演示了太陽能發電的實驗現象，在實際課堂教學中不需要利用外置電源.

4.2 不同點

太陽能電磁動力旋轉儀器工作時，太陽能電池板與線圈狀態都為靜止狀態，永磁體隨轉軸轉動. 其換向原理是利用外置陰影遮擋太陽能電池板實現線圈中產生電流方向不同，從而實現產生的磁場方向不同，實現換向. 太陽能電池板與線圈的連接方式為：兩太陽能電池板為1組，連接同一線圈，且為并聯連接. 演示時需將儀器置于水平桌面.

太陽能永磁懸浮旋轉儀器利用轉軸永磁體的磁力與重力抵消，將儀器懸浮于空中，工作時永磁體靜止，線圈與太陽能電池板隨轉軸轉動. 其換向原理是通過儀器自身旋轉使太陽能電池板背對光源，僅正對光源的太陽能電池板產生電流，使線圈對于永磁體產生的磁力始終為同一方向，從而實現儀器能夠朝同一方向旋轉. 每一太陽能電池板對應連接一線圈，連接方式為串聯. 演示時需將儀器置于水平桌面.

懸掛式太陽能葉片旋轉儀器工作時需使用掛繩或手動將其懸掛于空中. 工作時永磁體靜止，線圈與太陽能電池板隨主體轉動. 其換向原理、太陽能電池板與線圈連接方式與太陽能永磁懸浮旋轉儀器相同. 演示時不需將儀器置于桌面.

5 結束語

設計制作了3種以太陽能作為動力的物理演示儀器，其涉及的知識點包括太陽能電池板原理、各種形狀磁場分布、通電線圈受力分析、懸浮力分析等. 該儀器可在物理課堂中演示太陽能的實際應用. 學生在學習太陽能原理時更易于接受，不再束縛于教師口頭講解或課件講解，同時能夠激發學生對有關太陽能知識學習的興趣.

參考文獻：

[1] 劉貞先,伊曉路,傅軍. 太陽能綜合利用技術探討[J]. 應用能源技術,2006(11):31-33.

[2] 孫晶華. 太陽能電池的特性測量與應用[J]. 物理實驗，2017,37(7)：37.

[3] 余長青. 光伏效應的產生機理及應用[J]. 黔南民族師范學院學報,2006,26(3):21-22.

[4] 趙學玲. 淺談多步擴散制備太陽電池PN結工藝[J]. 電子科學技術(北京)，2017，4(2):14-16.

[5] 萬山明,陳驍,黃聲華. 無刷雙機械端口電機原理[J]. 微電機,2009,42(7):5-8.

[6] 徐金杰. 門多西諾電機的制作及原理分析[J]. 教學儀器與實驗,2013，29(10)：38-39.