關于四類簡易電動機的模型建構和比較

陳 輝

永康市第一中學，浙江 金華 321300

簡易電動機指由干電池、強磁鐵、通電導體共同組成的機械輸出裝置，它取材簡單、成本低廉，隨著釹鐵硼磁鐵的普及，許多構思巧妙的簡易電動機被設計制造出來。簡易電動機是近幾年的熱點，問題生活情境化，是培養學生核心素養的良好教學素材，它不僅能考查電磁學知識、培養建模能力，還能激發學生的物理學習興趣，培養科學探究能力。

簡易電動機結構簡單，外觀有許多相似之處。但“磁不可貌相”，這些電動機的工作原理不盡相同，即使同一類電機之間，模型也非常容易混淆。建模能力要求高、難度大，是物理建模教學的難點。本文列舉四類簡易電動機，對各類相似電機模型進行梳理比較，總結規律，有助于進一步明晰和理解。

1 電磁小火車的平動與轉動

1.1 模型建構

如圖1所示，取一節干電池，兩端各吸附一塊強磁鐵，電池和磁鐵整體看作一輛磁力小火車。將磁力小火車放置在水平桌面的錫箔紙上[1]，當左右兩側磁鐵的磁極方向相反時，電流從左至右流過錫箔紙，錫箔紙相當于一條通電直導線。根據磁場分布，錫箔紙受垂直紙面向內的安培力，由力的相互作用規律，小火車將垂直紙面向外運動。

圖1 磁力小火車及其模型建構

若將兩側磁鐵磁極方向調整為同向，小火車如何運動？由圖中模型分析可知，錫箔紙左側受向內的安培力，右側受向外的安培力，小火車受相反方向的作用力原地轉動，俯視觀察小火車逆時針旋轉。

1.2 模型比較歸納

電池兩端磁極取向相反，小火車兩端受同向安培力做平動；

電池兩端磁極取向相同，小火車兩端受反向安培力做轉動。

2 電動機的間斷性驅動與持續性驅動

2.1 模型建構

在發電機的原理分析中，圓環還是半環接線柱決定著輸出的電流是交流電還是直流電。而電動機中的接線柱同樣關鍵，它決定著電動機能否正常工作。如圖2，線圈外部帶有絕緣塑料，剔除兩端接線柱上的絕緣塑料并置于支架，通電后未能持續轉動。是何原因？磁場豎直分布，豎直線圈的上下導線內通以反向電流，啟動后上下安培力的力矩同向且為動力，轉過半圈上下電流位置互換，安培力方向與之前相反且為阻力，效果相互抵消。

圖2 一種圓形線圈電動機

措施：保持左側接線柱全導通，右側接線柱上半部粘上一層絕緣膠，下半部可導電；或采用漆包線，處理方式相同。線圈前半圈通電受驅動力，后半圈不通電靠慣性，電機受間斷性驅動力轉動。

若采用圖3所示的裝置，線圈對稱分布在電池兩側，由模型受力分析知線框受持續性驅動而轉動，較前面電機動力輸出更加穩定。

圖3 一種對稱線圈的電動機

2.2 模型比較歸納

線圈位于磁極上方一側，兩接線柱電流半導通，電動機受間斷性驅動而轉動；

線框對稱置于磁極兩側，接線柱持續通電，線圈受穩定力矩而持續轉動。

3 單磁極電動機與雙磁極電動機

3.1 模型建構

一根鐵釘、一節電池、一根導線和一個紐扣強磁鐵，可組成單磁極電動機。如圖4所示，將鐵釘和磁鐵相連豎直吸附在電池下端，用導線將電池上端與磁鐵連接，通電后鐵釘和磁鐵一起轉動。

圖4 單磁極電動機

將鐵釘改置于上方固定，電池上下兩端各吸附一塊磁鐵懸掛于鐵釘上組成雙磁極電動機，如圖5所示。若電池兩端磁鐵磁極取向相反，上下導線所受安培力方向相同，效果等同于單磁極電機。若電池兩端磁鐵磁極取向相同，實驗表明組合體轉動緩慢甚至幾乎不轉。通過模型分析，因為上下導線所受安培力比較對稱、等大反向而相互抵消。將導線略微向上移防止對稱，組合體轉動明顯加快，但動力輸出不足。

圖5 雙磁極電動機

3.2 模型比較歸納

單磁極電動機通電導線受安培力方向一致發生轉動；

雙磁極電動機若磁極取向相反，效果等同為單磁極電動機。若磁極取向相同，只有防止線圈對稱放置才能轉動，動力輸出不如單磁極電動機。

4 螺線管與金屬管導電方式驅動

4.1 模型建構

一段由裸銅線繞制的螺線管，相鄰兩匝間留一定空隙，將兩端磁極相反的電磁小火車置于其中，如圖6所示。電流從電池正極經磁鐵—螺線管—磁鐵流回電池負極，通電螺線管等效為電磁鐵，左端S極對小火車吸引，右端N極對小火車排斥，小火車沿軌道向右運動。

圖6 螺線管導電驅動

若將螺線管更換為金屬管，電流從電池正極經磁鐵—金屬管下部管壁—磁 鐵流回電池負極，下管壁相當于一條通電直導線，根據左手定則下管壁電流受沿管道橫截面的安培力，小火車受沿管道橫截面的反向作用力在原位置旋轉。

所以，裸銅線繞制螺線管的相鄰兩匝之間必須留有空隙。只有相鄰線圈之間絕緣，迫使電流沿螺線圈流動形成電磁鐵才能驅動小火車。

4.2 模型比較歸納

導電方式為螺線管，構建電磁鐵模型，小火車沿螺線管軸線運動；

導電方式為金屬管，構建通電直導線模型，小火車位于原地旋轉。

5 結束語

簡易電機取材簡單，成本低廉，可作為學生興趣培養的課外活動制作內容來激發學生學習物理的興趣，培養學生的創新能力和實踐精神，它源于生活、高于生活、回歸于生活，讓學生體驗生活中“低成本”鑄就“大智慧”[2]。

簡易電機簡約而不簡單，模型種類豐富，建模難度大、能力要求高。通過以上四類相似電動機模型的比較與歸納，透過現象看本質，對簡易電動機有更深入的理解，是提升物理核心素養和學科素養的有效素材和實踐路徑。