劉劍鋒 黃小連

(贛南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，江西 贛州 341000)

隨著釹鐵硼強(qiáng)磁鐵的出現(xiàn)及普及,有越來越多的愛好者運用創(chuàng)新思維開發(fā)出了很多新奇有趣的小電動機(jī),現(xiàn)將筆者搜集到的幾種趣味性較強(qiáng)的小電動機(jī)的制作方法及原理分享給各位同仁,以期提供更多優(yōu)秀的探究教學(xué)資源及創(chuàng)新教育資源．盡管這些電動機(jī)看起來制作簡單,但對中學(xué)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(yǎng)和鍛煉學(xué)生的工程技術(shù)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(yīng)引導(dǎo)學(xué)生欣賞其中體現(xiàn)出來的優(yōu)秀創(chuàng)新思維品質(zhì),感受智慧火花的光芒,獲得一種美的體驗．

1 單極感應(yīng)電動機(jī)

圖1 單極感應(yīng)電機(jī)

該裝置最早見于《’99國際物理教師學(xué)術(shù)交流會論文集》中．該文集刊登了日本東京Azabu中學(xué)教師Hiroshi Masuko的一篇論文,文中給出了這種電動機(jī)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(qiáng)磁鐵,再將螺絲釘釘尖吸附在1節(jié)5號電池的正極上,這樣就做好了一個電動機(jī)．使用時拿一根導(dǎo)線接在電池的負(fù)極上,用一只手壓緊導(dǎo)線,另一只手拿導(dǎo)線的另一端輕輕接觸磁鐵的邊緣,磁鐵就帶動螺絲釘旋轉(zhuǎn)起來．如果將電池反接或磁鐵反向,則磁鐵旋轉(zhuǎn)方向也反向．

圖2 單極感應(yīng)電機(jī)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(chǎn)生磁力的作用,從而使磁鐵旋轉(zhuǎn)起來．[2]但自身的相互作用內(nèi)力是不能改變自身的運動狀態(tài)的,所以這種解釋有問題．磁鐵轉(zhuǎn)動真正的原因是通電導(dǎo)線對磁鐵的作用力．如圖2所示,先分析磁鐵對通電導(dǎo)線的作用力．導(dǎo)線中電流方向向上,在導(dǎo)線處,磁鐵產(chǎn)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(dǎo)線產(chǎn)生一個垂直紙面向里的作用力,但由于用手捏住了導(dǎo)線,導(dǎo)線無法運動．由牛頓第三定律可知,磁鐵受導(dǎo)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(zhuǎn)起來．為檢驗這一分析,信豐中學(xué)劉瑛、朱向陽老師還設(shè)計制作了一個線框和磁鐵同時反向轉(zhuǎn)動的電動機(jī),[3]其設(shè)計思路就是將單極感應(yīng)電動機(jī)與下面介紹的韓長明馬達(dá)組合成一種新的趣味電動機(jī)．

2 韓長明馬達(dá)

該裝置最早由東北師范大學(xué)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(huán)剪斷,把兩端重疊一段后用圖釘從環(huán)外扎透,圖釘?shù)尼敿夥旁?號電池的正極上面,電池負(fù)極下面吸附一塊圓柱形的釹鐵硼強(qiáng)磁鐵(如圖3所示)．當(dāng)鋁環(huán)的側(cè)邊與磁鐵的柱面相接觸時,鋁環(huán)就旋轉(zhuǎn)起來了．隨著時間的推移,網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)了用銅絲代替鋁環(huán)的電動機(jī),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(dá)

圖4 韓長明馬達(dá)轉(zhuǎn)子

鋁環(huán)旋轉(zhuǎn)的原因分析與單極感應(yīng)電動機(jī)基本一樣．只是因為這時手沒有捏著鋁環(huán),所以鋁環(huán)會轉(zhuǎn)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(zhuǎn),因此表現(xiàn)出來的就是鋁環(huán)旋轉(zhuǎn)．如果將磁鐵置于光滑水平面,磁鐵會帶著電池反向旋轉(zhuǎn)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(qiáng)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(nèi)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(yīng)將電池火車從另一端塞入或?qū)㈦姵鼗疖嚀Q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(huán)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(xiàn)象有趣,能很好地激發(fā)學(xué)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(jìn)入線圈后,電流從電池正極經(jīng)磁鐵、線圈再經(jīng)磁鐵回到負(fù)極．為便于分析,以與桌面接觸部分的線圈為例進(jìn)行受力分析．設(shè)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(chǎn)生的磁感線形狀類似于同種等量點電荷產(chǎn)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(jù)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(cè)塞入線圈,則電池火車無法進(jìn)洞．

對于初中學(xué)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(cè)為S極,右側(cè)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(qiáng)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(jīng)磁鐵、錫箔紙再經(jīng)磁鐵回到負(fù)極,錫箔紙上電流方向與電池平行,設(shè)電流方向向右．根據(jù)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(jù)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?qū)㈦S之改變．由于通電的錫箔紙長度遠(yuǎn)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(yīng)采用高亮激光筆中的3.7 V充電電池,否則現(xiàn)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(qiáng)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(dǎo)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(dǎo)線與磁鐵產(chǎn)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(yuǎn)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(dǎo)線隔離屏蔽后,輪軌小車受力仍不受影響;這說明應(yīng)該是通電部分的鋁箔紙軌道與磁鐵發(fā)生相互作用產(chǎn)生的力．

圖10 輪軌火車原理

由于受力較復(fù)雜,無法直接利用磁鐵磁場對軌道中的電流用左手定則進(jìn)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(dāng)通電后,電流經(jīng)電池正極流向左軌道,再經(jīng)左磁鐵、鐵桿、右磁鐵后從右軌道流回負(fù)極,可近似當(dāng)作一個環(huán)形電流,則其產(chǎn)生的磁場的磁感線應(yīng)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(jìn)行實驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)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(yīng)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(qiáng)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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?。?/p>

圖11 跳跳彈簧

圖12 跳跳彈簧原理

其原理可從圖12分析．當(dāng)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(xiàn)短路電流．對圖12銅絲彈簧右側(cè)部分進(jìn)行受力分析,其電流方向垂直紙面向外,磁鐵產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(dāng)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．