自制簡易直流電動機

電動機（圖1）在生活中的應用非常廣泛，電風扇、電冰箱、吸塵器、電動剃須刀、電動自行車的動力來源都是電動機。初中物理課程介紹了電動機的基本工作原理，并安排了組裝簡單電動機的小實驗。其實，了解基本原理后，我們也可以制作別出心裁的“電動機”。

奧斯特和安培的發現

1820年，丹麥哥本哈根大學的物理學教授奧斯特發現了電流的磁效應。

小磁針在地磁場的作用下，原本一端指南，一端指北。我們把指南的這一端磁極叫作“指南極”，簡稱“南極”（S極）；把指北的這一端磁極叫作“指北極”，簡稱“北極”（N極）。導線靠近小磁針上方，并與小磁針平行放置時，對小磁針的指向沒有影響。但是，導線中有電流通過時，小磁針發生了偏轉。若導線放在小磁針下方，小磁針的偏轉方向則相反。若改變電流方向，小磁針的偏轉方向也發生改變（圖2）。這就說明，電流周圍存在磁場，電流的磁場方向與電流方向有關。

這讓原本堅信電、磁之間沒有關系的數學家安培改變了立場。他開始琢磨，如果在通電導線下方放一排小磁針，它們會如何偏轉？如果在通電導線周圍放一圈小磁針，它們又將如何偏轉？經過研究，安培有了發現：通電直導線周圍的磁感線是環形的；如果用右手握住通電直導線，讓大拇指指向導線中的電流方向，四指環繞方向就是電流周圍磁場的方向；離通電導線越近，磁場越強（圖3）。

要是把導線繞成線圈，周圍的小磁針又是如何偏轉的呢？通過實驗，安培發現通電螺線管周圍的磁場和條形磁體類似。如果用右手握住通電螺線管，讓四指彎向環繞電流的方向，那么，大拇指所指的那一端就是通電螺線管的N 極（圖4）。

通過后續的研究，安培在數學上建立了反映電流間相互作用力的公式，提出了著名的分子電流假說，還發明了電流計，創立了電動力學。麥克斯韋稱贊安培是“電學中的牛頓”。

對奧斯特實驗的再思考

通電導線周圍能產生磁場，讓小磁針發生偏轉。而物體間力的作用是相互的，如果磁針保持不動，導線會不會動？或者說，磁場可以對通電導線產生力的作用嗎？

實驗證明，通電導體在磁場中確實會受到力的作用，力的作用方向與磁場方向、電流方向有關。將左手中指、食指、大拇指伸直，且兩兩垂直，中指代表電流方向，食指代表磁場方向（磁感線指向），大拇指所指的方向即為通電導體的受力方向，即中指、食指、大拇指依次代表“電、磁、力”（圖5）。

如果把導線繞成線圈放在磁場中，并通上電，受力不平衡會讓線圈轉動起來。在多位科學家實踐的基礎上，法拉第做出了電動機雛形。法拉第就是電磁感應現象的發現者，他還做出了人類歷史上的第一臺感應發電機。電動機與發電機的發明，讓人類進入了電氣化時代。

電動機工作的最基本原理，物理課本上已經介紹過了。通電線圈在磁場中會受力轉動，換向器可以讓線圈持續轉動。從能量轉化的角度看，電動機消耗了電能，并主要把電能轉化為機械能。因為電流熱效應的存在，也有部分電能轉化為內能。電動機工作時，內部的線圈中也會產生感應電流，所以不能簡單地使用歐姆定律來描述其內部的電流。事實上，電動機的基本構造與發電機相同，輸入電能，可以轉化為機械能；輸入機械能，可以轉化為電能。它們的本質都是電與磁的相互作用。

自制簡易直流電動機

做簡易直流電動機的方法有很多，這里簡單介紹3種。

方法一（課本上有）：截取兩段裸銅絲，彎成支架，插到泡沫板上。用漆包線繞一個線圈，并將兩個線端各引出一截作為轉動軸。一端轉動軸的絕緣漆全部刮去，另一端刮去上面一半。用兩節干電池作為電源，并將正極、負極分別與兩個支架連通。將線圈置于轉動軸上，讓釹鐵硼磁鐵靠近線圈，接通電源，用手試著撥動線圈使其轉動。如果磁鐵擺放位置和線圈撥動方向恰當，線圈就會不停地轉動（圖6）。

方法二：讓兩節干電池串聯，并用膠帶將連接處固定，正極向上。讓鐵質螺釘吸在釹鐵硼磁鐵上，然后將螺釘的尖部接觸電池組底部，螺釘就會掛著磁鐵懸吊在電池組下方。找一段導線，讓導線的一端與電池組正極緊密接觸，手拿著另一端觸碰釹鐵硼磁鐵的表面，磁鐵和螺釘就會旋轉起來（圖7）。如果磁鐵和螺釘不能旋轉，考慮增加磁鐵的粒數來增強磁場。

方法三：將釹鐵硼磁鐵直接吸在電池組下方，將裸銅線對折后再反折，做成矩形線框，并將導線的兩端彎成半圓弧形。當彎折點置于電池組正極的銅帽頂端時，兩個下垂的半圓弧形線端剛好可以接觸到磁鐵，這時銅線圈就可以轉動起來。為防止轉動的線圈從銅帽上滑落，可以剪一小截粗細適中的吸管套在銅帽上（圖8）。

思考一下，方法二中的螺釘和磁鐵、方法三中的線圈為何能轉動起來？如果沒有轉動，可能是什么原因造成的？

（責任編輯：白玉磊）