鐘俊敏

摘? 要：利用地磁場，設(shè)計線圈，制作一個發(fā)電機供課堂教學(xué)使用。文章介紹地磁場發(fā)電機的設(shè)計與制作過程。

關(guān)鍵詞：地磁場;發(fā)電機;設(shè)計與制作

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）12-0049-2

眾所周知，讓線圈在磁場中轉(zhuǎn)動，能產(chǎn)生電流。發(fā)電機原理如圖1所示。而地球周圍存在著磁場，利用地磁場也可以發(fā)電，這將大大增加學(xué)生的興趣，是開展科技活動的好材料。若能將地磁場發(fā)電用于室內(nèi)的課堂教學(xué)，將大大提高課堂教學(xué)的效果。可惜多數(shù)學(xué)生都沒有見過利用地磁場發(fā)電的過程，心里還是半信半疑（圖2）。在課外實踐活動中，我們做成了發(fā)電機，發(fā)出了電。大家非常高興，甚至有點激動。如何做成可在室內(nèi)演示的教學(xué)儀器呢？本文介紹了設(shè)計過程和制作方法。

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圖1? 發(fā)電機原理

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圖2? 地磁場發(fā)電示意圖

1? ? 查找資料，計算數(shù)據(jù)

地磁場的強度是設(shè)計發(fā)電機的關(guān)鍵。從課本上查得：地磁場的強度為10-4～10-5 T?？紤]到我國地處北半球，我們的緯度約為30°～45°，地磁場方向為向北偏下，故取B=10-5 T。

初步方案是：用一個多匝線圈繞其中心軸旋轉(zhuǎn)（交流發(fā)電機），去推動一個靈敏電流計（負(fù)載），如圖3所示。

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圖3? 實驗方案示意圖

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因教具要有較大的可見度和較好的可操作性，故取a=70 cm，b=80 cm。又因慣性對機械電表指針偏轉(zhuǎn)的影響，為了便于觀察，取n=1 r/s?？紤]自制教具制作成本要低、線圈電阻要小、重量不能太重等原因，線圈直徑取D=0.61 mm。多匝線圈若用鋁導(dǎo)線做會很粗，決定用銅漆包線繞制。查得銅的電阻率為ρ=1.7×10-8 Ω·m，靈敏電流計內(nèi)阻為r=100 Ω，滿偏電流為I=300 μA。為使電流表接近滿偏，由上式計算得到N=260匝。

2? ? 尋找材料，進行加工

0.61 mm的漆包線繞260匝，是一個很粗且很重的線圈。為了有固定的形狀又易于旋轉(zhuǎn)，決定將線圈繞在一個由塑料制成的槽內(nèi)。兩端在繞線圈之前裝上轉(zhuǎn)軸（固定在方框上，兼做電刷用）。為了操作方便，方框必須有支架支持?？紤]到輕便、穩(wěn)固、經(jīng)濟的要求，最終選用塑鋼門框材料熱焊成支架。

3? ? 動手組裝，突破難點

手工制作電刷是個難題。若不用電刷，線圈旋轉(zhuǎn)時，兩根引線會繞在轉(zhuǎn)軸上。受交流發(fā)電機用滑環(huán)導(dǎo)出電流的啟發(fā)，我們在線圈兩端的轉(zhuǎn)軸上各套一個不銹鋼環(huán)（防盜窗材管上截取兩段2 cm長的即可），有效地突破了制作的難點。這樣線圈兩端分別焊接在兩段轉(zhuǎn)軸上，兩個鋼環(huán)上分別焊接兩根導(dǎo)線，連在電流表的兩個接線柱上（如圖4）。

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圖4? 地磁場發(fā)電機

當(dāng)線圈的轉(zhuǎn)軸垂直于磁場時，線圈產(chǎn)生的電動勢最大，回路中電流最強。為了便于對準(zhǔn)地磁場的南北極，在支架上安裝了一個指南針。實際演示時，對準(zhǔn)南北極，控制在1 r/s左右的轉(zhuǎn)速，效果最好，電流計能達到滿偏。

（欄目編輯? ? 王柏廬）