簡易趣味電動機的制作與原理

劉劍鋒 黃小連

(贛南師范大學物理與電子信息學院，江西 贛州 341000)

隨著釹鐵硼強磁鐵的出現及普及,有越來越多的愛好者運用創新思維開發出了很多新奇有趣的小電動機,現將筆者搜集到的幾種趣味性較強的小電動機的制作方法及原理分享給各位同仁,以期提供更多優秀的探究教學資源及創新教育資源．盡管這些電動機看起來制作簡單,但對中學生來說要真正做成功并弄清原理卻也要花費一番功夫;而且,對培養和鍛煉學生的工程技術能力也有一定的幫助,因此也可以作為STEM教育資源使用．本系列資源即可以單獨使用,也可以整合在一起使用．使用時應引導學生欣賞其中體現出來的優秀創新思維品質,感受智慧火花的光芒,獲得一種美的體驗．

1 單極感應電動機

圖1 單極感應電機

該裝置最早見于《’99國際物理教師學術交流會論文集》中．該文集刊登了日本東京Azabu中學教師Hiroshi Masuko的一篇論文,文中給出了這種電動機的制作方法．[1]如圖1所示,在一顆釘子的釘帽上吸附一釹鐵硼強磁鐵,再將螺絲釘釘尖吸附在1節5號電池的正極上,這樣就做好了一個電動機．使用時拿一根導線接在電池的負極上,用一只手壓緊導線,另一只手拿導線的另一端輕輕接觸磁鐵的邊緣,磁鐵就帶動螺絲釘旋轉起來．如果將電池反接或磁鐵反向,則磁鐵旋轉方向也反向．

圖2 單極感應電機原理

流傳較廣的解釋是吸在釘子上的磁鐵對通過自身的電流產生磁力的作用,從而使磁鐵旋轉起來．[2]但自身的相互作用內力是不能改變自身的運動狀態的,所以這種解釋有問題．磁鐵轉動真正的原因是通電導線對磁鐵的作用力．如圖2所示,先分析磁鐵對通電導線的作用力．導線中電流方向向上,在導線處,磁鐵產生的磁場方向是斜向右上方,其豎直分量沒有作用,水平分量對導線產生一個垂直紙面向里的作用力,但由于用手捏住了導線,導線無法運動．由牛頓第三定律可知,磁鐵受導線給其一垂直紙面向外的力,正是在這個力的作用下磁鐵才旋轉起來．為檢驗這一分析,信豐中學劉瑛、朱向陽老師還設計制作了一個線框和磁鐵同時反向轉動的電動機,[3]其設計思路就是將單極感應電動機與下面介紹的韓長明馬達組合成一種新的趣味電動機．

2 韓長明馬達

該裝置最早由東北師范大學韓長明教授研制．[2]其最初版本是將從易拉罐上剪下寬約為10 mm的一個鋁環剪斷,把兩端重疊一段后用圖釘從環外扎透,圖釘的釘尖放在5號電池的正極上面,電池負極下面吸附一塊圓柱形的釹鐵硼強磁鐵(如圖3所示)．當鋁環的側邊與磁鐵的柱面相接觸時,鋁環就旋轉起來了．隨著時間的推移,網絡上出現了用銅絲代替鋁環的電動機,且由于銅絲易于彎曲,可以繞制成不同形狀(圖4為其中一種形狀),從而增加趣味性和觀賞性．

圖3 韓長明馬達

圖4 韓長明馬達轉子

鋁環旋轉的原因分析與單極感應電動機基本一樣．只是因為這時手沒有捏著鋁環,所以鋁環會轉動起來,而磁鐵由于置于桌面,在桌面摩擦力作用下無法反向旋轉,因此表現出來的就是鋁環旋轉．如果將磁鐵置于光滑水平面,磁鐵會帶著電池反向旋轉起來．

3 電池火車

如圖5所示,將兩塊比電池直徑稍大的釹鐵硼強磁鐵吸在電池兩端,兩磁鐵同名磁極相對,如磁鐵薄可在電池兩端再各加一塊磁鐵．將購買的紫銅絲繞制成內徑比磁鐵直徑還大些的線圈,線圈各匝間距約1 mm(間距太大不利于電池火車運動)．然后將電池塞入線圈中,電池將在線圈中快速運動并從另一端出來．如果塞入后電池火車不動,則應將電池火車從另一端塞入或將電池火車換個方向塞入．如果線圈足夠長,可將電池火車塞入線圈后,再將線圈首尾連接起來形成一個封閉的環或增加一個上下坡,則電池火車會一直在像山洞一樣的線圈中運動和上下坡,直到電池電量耗盡．電池火車形象生動、現象有趣,能很好地激發學生的興趣和求知欲望．

圖5 電池火車部件

圖6 電池火車原理

其運動原理如圖6所示．電池火車進入線圈后,電流從電池正極經磁鐵、線圈再經磁鐵回到負極．為便于分析,以與桌面接觸部分的線圈為例進行受力分析．設與桌面接觸部分的線圈中的電流方向垂直紙面向里．兩同名磁極相對的磁極產生的磁感線形狀類似于同種等量點電荷產生的電場線．由左手定則易知,與桌面接觸部分的線圈受力方向向左．由于線圈受到的磁力是磁鐵提供的,根據牛頓第三定律可知,與桌面接觸部分線圈對磁鐵的作用力方向向右,因此電池火車將向右運動起來．如果這時將電池火車從線圈右側塞入線圈,則電池火車無法進洞．

對于初中學生,可換一種討論方法．將每匝線圈看作一個小磁鐵,則每匝線圈左側為S極,右側為N極,由于通電線圈部位集中在兩磁鐵之間,于是電池火車左邊的磁鐵將受到向右的吸引力,右邊的磁鐵將受到向右的排斥力,因而電池火車總體將受到向右的作用力,因此電池火車將向右運動起來．

4 兩輪小車

如圖7所示,兩輪小車的制作方法與電池火車相似,只要將兩塊比電池直徑大的釹鐵硼強磁鐵吸在電池兩端,兩磁鐵同名磁極相對就制作好了．但玩的方法不同,是將制作好的兩輪小車置于一塊錫箔紙上,則兩輪小車將在錫箔紙上向前或向后滾動起來,就像兩個輪子的小車一樣．

圖7 兩輪火車

圖8 兩輪火車原理

其運動原理如圖8所示．兩輪小車放在錫箔紙上后,電流從電池正極經磁鐵、錫箔紙再經磁鐵回到負極,錫箔紙上電流方向與電池平行,設電流方向向右．根據左手定則可知,錫箔紙上的電流受到磁鐵給它的一個垂直紙面向里的磁力(向前的力),根據牛頓第三定律可知,錫箔紙上的電流將給磁鐵一個垂直紙面向外的作用力(向后的力),于是兩輪小車就向后運動起來．如果將兩輪小車的磁極換個方向或改變電池極性,則兩輪小車的運動方向將隨之改變．由于通電的錫箔紙長度遠小于電池火車中線圈的長度,電磁相互作用力相對較小,本實驗中的電池不要像電池火車那樣采用普通的1.5 V干電池,而應采用高亮激光筆中的3.7 V充電電池,否則現象可能不明顯．

5 輪軌小車

如圖9所示,尋找一根鐵桿(也可將釘子兩端截斷后磨平)將兩塊釹鐵硼強磁鐵吸在鐵桿兩端,兩磁鐵同名磁極相對就做好了．剪兩條狀錫箔紙,并將兩條狀錫箔紙放在水平桌面上做成平行軌道,將輪軌小車放在平行軌道上．實驗時將電池兩端通過導線連接到兩條錫箔紙上,兩輪小車就會在錫箔紙軌道上運動起來．

圖9 輪軌火車

開始時筆者以為受力情況類似“兩輪小車”中的受力情況,是電池所在處的導線與磁鐵產生相互作用來推動輪軌小車運動．但將軌道延長并使電池遠離輪軌小車后,受力幾乎不受影響,輪軌小車仍能快速運動;用鐵片將輪軌小車的磁鐵與電池所在處導線隔離屏蔽后,輪軌小車受力仍不受影響;這說明應該是通電部分的鋁箔紙軌道與磁鐵發生相互作用產生的力．

圖10 輪軌火車原理

由于受力較復雜,無法直接利用磁鐵磁場對軌道中的電流用左手定則進行受力分析．因此,筆者決定通過猜想加實驗來確定其受力情況．如圖10所示,當通電后,電流經電池正極流向左軌道,再經左磁鐵、鐵桿、右磁鐵后從右軌道流回負極,可近似當作一個環形電流,則其產生的磁場的磁感線應該是垂直軌道平面向上,這時可將其假想為一塊磁鐵,則這塊假想磁鐵的N極垂直軌道平面向上．從圖中可知,假想磁鐵與輪軌小車的兩磁鐵的N極靠得更近,由于同名磁極相互排斥,所以假想磁鐵將分別給兩磁鐵一個斜向前的力F,但由于兩磁鐵連為一體,其向前的分力會使輪軌小車向前運動,而與鐵桿平行的分力則相互抵消．為證實這一判斷,筆者用一塊真實磁鐵代替假想磁鐵進行實驗,結果發現實驗結果與猜想相吻合．同樣,改變磁極和電流方向,輪軌小車的運動方向會相應改變．本實驗用的電池是高亮激光筆中的3.7 V充電電池．

6 跳跳彈簧

如圖11所示,將釹鐵硼強磁鐵吸在電池下端,并置于桌面,用銅絲(可從家庭裝修用多股銅導線中抽取一根)繞制成一銅絲彈簧并套在電池上,銅絲彈簧下端壓在磁鐵下與磁鐵緊密接觸,彈簧上部末端在電池正極上方彎出一豎直線,靠近正極但不接觸正極．實驗時,用手將彈簧下壓,使彎出的豎直線與電池正極接觸,然后松手,這時能看到銅絲彈簧不斷地上下跳動．制作時,銅絲彈簧應保證具有一定的彈性,豎直線盡量靠近正極但不能接觸正極,電池應采用普通1.5 V干電池,不要用3.7 V的激光筆充電電池,否則由于電流過大,銅絲彈簧的豎直線碰觸電池正極時易熔化,從而被焊接在電池正極,造成實驗失敗．

圖11 跳跳彈簧

圖12 跳跳彈簧原理

其原理可從圖12分析．當下壓銅絲彈簧讓豎直線與電池正極接觸后,銅絲彈簧將電池短路,銅絲彈簧中出現短路電流．對圖12銅絲彈簧右側部分進行受力分析,其電流方向垂直紙面向外,磁鐵產生的磁場在此處的方向為斜向右上方,其豎直分量對電流產生向左的力,對彈簧跳動沒有影響,而且會相互抵消．但水平分量對電流產生一個向上的磁力,從而使彈簧向上彈起,豎直線脫離電池正極,電流消失,彈簧在自身彈力及重力作用下又向下回縮,由于慣性,當回縮至越過平衡位置,豎直線再次碰觸電池正極時,電池又重新被短路,于是開始下一周期的跳動．