魏 勇，張竟原，蘇于東，劉春蘭，姜友嫦

(重慶三峽學(xué)院 物理學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，重慶 404120)

太陽(yáng)能是可再生資源，是現(xiàn)代人類使用的能源類型中不可或缺的部分，自1615年法國(guó)工程師所羅門(mén)·德·考克斯制造第1臺(tái)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)算起，經(jīng)過(guò)了300多年到現(xiàn)在，太陽(yáng)能已經(jīng)融入人們的生活之中[1]. 在現(xiàn)代物理教育中十分有必要將有關(guān)太陽(yáng)能的知識(shí)引入到物理課堂中[2]，通過(guò)相關(guān)的模型來(lái)輔助教學(xué)，并讓學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)踐，實(shí)行互動(dòng)的教學(xué)模式,這樣不僅能將枯燥的知識(shí)變得生動(dòng)有趣,讓學(xué)生易于接受,還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且傳播新能源知識(shí)，讓更多的低齡學(xué)生可以親身感受到太陽(yáng)能能源的優(yōu)勢(shì)和實(shí)踐應(yīng)用的相關(guān)知識(shí). 本文介紹了3種太陽(yáng)能動(dòng)力的物理演示儀器，能夠生動(dòng)形象地演示太陽(yáng)能在物理中的實(shí)際應(yīng)用.

1 太陽(yáng)能電池板原理

太陽(yáng)能電池板依據(jù)某些特定材料的光電性質(zhì)制成，其具體原理是利用了半導(dǎo)體PN結(jié)這一特性,其結(jié)構(gòu)如圖1所示. 若用導(dǎo)線將半導(dǎo)體的兩端連接構(gòu)成閉合回路，在回路中會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定電流. 利用這一特性，將硅晶片制成太陽(yáng)能電池板，當(dāng)有陽(yáng)光照射到晶片表面時(shí)，光子會(huì)激發(fā)晶片中的自由電子，產(chǎn)生空穴，空穴與自由電子擴(kuò)散產(chǎn)生電場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生電勢(shì)差，當(dāng)光強(qiáng)越強(qiáng)時(shí)，光子激發(fā)的自由電子越多，產(chǎn)生的電勢(shì)差越高[3-4].

圖1 半導(dǎo)體PN結(jié)示意圖

2 儀器介紹

2.1 太陽(yáng)能電磁動(dòng)力旋轉(zhuǎn)儀器

如圖2所示，太陽(yáng)能電磁動(dòng)力旋轉(zhuǎn)儀器包括太陽(yáng)能電池板、線圈、轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)盤(pán). 儀器工作時(shí)，太陽(yáng)光照射在太陽(yáng)能電池板上，太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電流流入底部線圈中，線圈激發(fā)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)與底部轉(zhuǎn)子中的小磁鐵相互作用產(chǎn)生力矩，使中心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng).

在頂部太陽(yáng)能電池板中，相鄰兩太陽(yáng)能電池板為同一組，連接底部同一線圈，轉(zhuǎn)盤(pán)表面設(shè)有兩陰影部分，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能夠阻擋太陽(yáng)光的照射，避免太陽(yáng)光同時(shí)照射所有太陽(yáng)能電池板. 轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，被遮擋的2組電池板所對(duì)應(yīng)的線圈產(chǎn)生兩極性相反的磁場(chǎng)，未被遮擋的一組電池板在線圈中產(chǎn)生大小相等、方向相反的電流，故不激發(fā)磁場(chǎng)，通過(guò)這種方式，間接實(shí)現(xiàn)了線圈換向的功能[5].

(a)正視圖

(b)俯視圖

(c)實(shí)物圖圖2 太陽(yáng)能電磁動(dòng)力旋轉(zhuǎn)儀器結(jié)構(gòu)圖

2.2 太陽(yáng)能永磁懸浮旋轉(zhuǎn)儀器

如圖3所示，太陽(yáng)能永磁懸浮旋轉(zhuǎn)儀器包括太陽(yáng)能電池板、底部永磁體、轉(zhuǎn)軸永磁體、合金轉(zhuǎn)軸、底座和線圈. 轉(zhuǎn)軸永磁體由兩環(huán)形永磁體構(gòu)成，其中一永磁體固定于合金轉(zhuǎn)軸，另一永磁體固定于底座側(cè)面，兩永磁體相對(duì)平面所對(duì)應(yīng)的極性相反，通過(guò)永磁體的磁力與底座側(cè)面對(duì)轉(zhuǎn)軸支持力共同作用，可實(shí)現(xiàn)將轉(zhuǎn)軸及太陽(yáng)能電池板懸浮. 光源從某一固定方向照射于太陽(yáng)能電池板，太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電流流入線圈，使線圈激發(fā)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)與底部永磁體相互作用產(chǎn)生力矩，推動(dòng)太陽(yáng)能電池板帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng).

太陽(yáng)能電池板與線圈的連接方式如圖3(b)所示，其中太陽(yáng)能電池板A與其對(duì)邊線圈A連接，太陽(yáng)能電池板B與其對(duì)邊線圈B連接，以此方式連接，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，做正功的太陽(yáng)能電池總是正對(duì)光源位置，產(chǎn)生較大的電流，做負(fù)功的太陽(yáng)能電池板總是背對(duì)光源位置，產(chǎn)生電流較小，且對(duì)應(yīng)線圈距離底部永磁體較遠(yuǎn)，故太陽(yáng)能電池板能朝同一方向旋轉(zhuǎn)[6].

(a)正視圖

(b)太陽(yáng)能電池板與線圈連接方式

(c)實(shí)物圖圖3 太陽(yáng)能永磁懸浮旋轉(zhuǎn)儀器結(jié)構(gòu)圖

2.3 懸掛式太陽(yáng)能葉片旋轉(zhuǎn)儀器

如圖4所示，懸掛式太陽(yáng)能葉片旋轉(zhuǎn)儀器包括永磁軸承、太陽(yáng)能電池板、轉(zhuǎn)子線圈、永磁定子、主軸、支撐架和底座. 太陽(yáng)能電池板與其相對(duì)應(yīng)的線圈連接，永磁軸承由兩環(huán)形永磁體組成，能夠?qū)崿F(xiàn)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(yáng)能電池板上產(chǎn)生電流，電流流入線圈在永磁定子的磁場(chǎng)中產(chǎn)生磁力，推動(dòng)主體旋轉(zhuǎn). 當(dāng)正對(duì)光源的太陽(yáng)能電池板旋轉(zhuǎn)至背對(duì)光源位置時(shí)，線圈內(nèi)不再產(chǎn)生電流，故正對(duì)光源的太陽(yáng)能電池板總能產(chǎn)生相同方向的磁力，可以實(shí)現(xiàn)主體朝同一方向旋轉(zhuǎn).

(a)正視圖

(b)主體內(nèi)俯視圖 (c)實(shí)物圖圖4 懸掛式太陽(yáng)能葉片旋轉(zhuǎn)儀器結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)軸部分與儀器其他部分不存在機(jī)械接觸，同時(shí)能夠保持自身穩(wěn)定平衡.

太陽(yáng)能電磁動(dòng)力旋轉(zhuǎn)儀器、懸掛式太陽(yáng)能葉片旋轉(zhuǎn)儀器均使用永磁軸承，永磁軸承利用2塊半徑不同的環(huán)形磁鐵，其中半徑較小的環(huán)形磁鐵置于半徑較大的環(huán)形磁鐵中心，將2塊磁鐵分別固定在儀器轉(zhuǎn)軸和主體上. 當(dāng)儀器工作時(shí)，由于2塊磁鐵間磁力的作用能夠使轉(zhuǎn)軸不與主體發(fā)生機(jī)械接觸，不存在摩擦，無(wú)需潤(rùn)滑，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn).

太陽(yáng)能永磁懸浮旋轉(zhuǎn)儀器能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhuǎn)軸兩端設(shè)有圓柱形永磁體，固定于主體支架中，在轉(zhuǎn)軸中同樣設(shè)有兩圓柱形永磁體，與主體支架中的永磁體相對(duì)應(yīng)，所對(duì)平面的磁體極性相反，所產(chǎn)生的磁力相互吸引，同時(shí)利用轉(zhuǎn)軸與主體支架接觸產(chǎn)生的支持力與磁力、重力共同作用，實(shí)現(xiàn)了將主體懸浮于空中.

4 3種演示儀的異同點(diǎn)分析

4.1 相同點(diǎn)

太陽(yáng)能電磁動(dòng)力旋轉(zhuǎn)儀器、太陽(yáng)能永磁懸浮旋轉(zhuǎn)儀器和懸掛式太陽(yáng)能葉片旋轉(zhuǎn)儀器都將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而將電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，再而轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，形象地演示了太陽(yáng)能發(fā)電的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在實(shí)際課堂教學(xué)中不需要利用外置電源.

4.2 不同點(diǎn)

太陽(yáng)能電磁動(dòng)力旋轉(zhuǎn)儀器工作時(shí)，太陽(yáng)能電池板與線圈狀態(tài)都為靜止?fàn)顟B(tài)，永磁體隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng). 其換向原理是利用外置陰影遮擋太陽(yáng)能電池板實(shí)現(xiàn)線圈中產(chǎn)生電流方向不同，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向不同，實(shí)現(xiàn)換向. 太陽(yáng)能電池板與線圈的連接方式為：兩太陽(yáng)能電池板為1組，連接同一線圈，且為并聯(lián)連接. 演示時(shí)需將儀器置于水平桌面.

太陽(yáng)能永磁懸浮旋轉(zhuǎn)儀器利用轉(zhuǎn)軸永磁體的磁力與重力抵消，將儀器懸浮于空中，工作時(shí)永磁體靜止，線圈與太陽(yáng)能電池板隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng). 其換向原理是通過(guò)儀器自身旋轉(zhuǎn)使太陽(yáng)能電池板背對(duì)光源，僅正對(duì)光源的太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生電流，使線圈對(duì)于永磁體產(chǎn)生的磁力始終為同一方向，從而實(shí)現(xiàn)儀器能夠朝同一方向旋轉(zhuǎn). 每一太陽(yáng)能電池板對(duì)應(yīng)連接一線圈，連接方式為串聯(lián). 演示時(shí)需將儀器置于水平桌面.

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

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)制作了3種以太陽(yáng)能作為動(dòng)力的物理演示儀器，其涉及的知識(shí)點(diǎn)包括太陽(yáng)能電池板原理、各種形狀磁場(chǎng)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(yáng)能的實(shí)際應(yīng)用. 學(xué)生在學(xué)習(xí)太陽(yáng)能原理時(shí)更易于接受，不再束縛于教師口頭講解或課件講解，同時(shí)能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)有關(guān)太陽(yáng)能知識(shí)學(xué)習(xí)的興趣.

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