趣味性法拉第发电器的实作与实用

王贺珍+曲文敬+范兴娟+李学海

摘 要 策划和制作一系列形形色色的演示教具和实作套件，对于物理电学实验或技能培训，以及抽象化理论的形象化教学，具有很重要的意义和价值。详细介绍一款法拉第发电器的制作方法及其应用实例。

关键词 法拉第发电器；物理实验；电容器；教学改革

中图分类号：G712 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）24-0031-04

Interesting Faraday Generator Implementation and Utility//WANG Hezhen， QU Wenjing， FAN Xingjuan， LI Xuehai

Abstract Planning and producing a series of varied demonstration teaching aids and implement kit， have very important meaning and

value for electrophysics experiments or skills training， and visuali-zation teaching of the abstract theory. This paper describes the fabri-cation method and applications of a Faraday generator device in detail.

Key words Faraday generator； physical experiment； capacitor； tea-ching reform

1 引言

多年来，石家庄邮电职业技术学院电信工程系各专业开设的通信物理课程教学效果一直不太理想，教师反映课程难教，学生反映课程难学，故教学改革呼声很高。课程负责人积极剖析原因、研究对策，发现主要原因在于近年来工科高职院校的入学分数不断降低（甚或降至200分以下），多数学生在初高中阶段的理科成绩不好，基础差。

鉴于此，教师达成共识并实施教改，减少晦涩难懂的理论分析，增加生动形象的实验实训实作的技能训练，在演练动手能力和操作技能的过程中激发学生的学习兴趣。教师还和部分学生结成课题组或科研团队，积极申报校内创新实践项目甚至河北省电子信息类教指委科研课题，研发一系列具有启发意义和激发作用并且适合学生自制和仿制的教学模型或实作套件，举办一系列校内物理和电子制作竞赛，力图取得一些突破性教学效果。

为了把空洞的电学理论与实际的电子制作无缝对接，设计一款基于法拉第电磁感应定律的趣味制作——法拉第发电器。它不仅可以作为实验装置或课堂教具，用于物理实验和教学演示，还是一种免费环保永续的电源器具，既可作模拟电路、数字电路、单片机实验板的电源，也可作手机充电器。

2 发电器的构造原理

对那些以低电压小电流供电的便携式电子产品或单片机应用项目，可以利用法拉第定律将机械能转换为电能来自制电源。其实，这种发电原理早就用于水力和火力发电机之中。图1所示就是一款简易法拉第发电器的结构图。它采用一段直径和长度适宜的有机玻璃管，管内放置一个可以滑动的柱形磁铁，管外缠绕数百匝漆包线，玻璃管两端密封起来，就制成。发电时，通过摇动玻璃管来使磁铁往复运动，改变线圈中的磁场强度，令线圈产生感应电压，从而在线圈两端获得一个交流电压，足以点亮一只小灯泡。

交流电压的大小可通过计算公式来估算：

E=-N×（dΦ/dt）

其中，E指电动势，N表示线圈匝数，dΦ/dt为磁铁穿过线圈时磁通量的变化率。通过线圈的磁通量为Φ=B×A，B是磁场强度，A是线圈的横截面积。

可见，磁铁的磁场越强，磁通量越大；线圈的横截面积越大，磁通量也越大；磁铁运动越快，磁通变化率越大，线圈中的感应电压就越高。由于磁铁进入线圈和离开线圈时所产生的电压极性相反，因此，线圈两端得到的是极性交变的电压。交流电压经过整流和滤波之后，还会得到直流电压。

图2所示是示波器捕获的法拉第发电器输出的电压波形，可见其电压峰值接近30 V（11.8 V+17.1 V）。

3 法拉第发电器的实作

图3所示是一款装配成形的法拉第发电器，一旦磁铁装入之后，就利用塑料圆片和胶带封好玻璃管的两端。

图4所示为构成发电器线圈的三种材料：有机玻璃管、圆柱形磁铁和漆包线。选材与加工方法简介如下。

1）有机玻璃管尽量选用管壁较薄的品种，以便减小线圈内径与磁铁外径的距离，从而增加磁铁与线圈之间的紧密程度，减少漏磁通。这里选用的规格是内径15 mm、外径20 mm，其机械强度较高、结实耐用，但管壁较厚，用车床车削一下更好。如图4所示，玻璃管中段加工成约长50 mm的凹槽，其管壁厚度保留1.5 mm，这样更像个线轴，便于缠绕漆包线。

2）磁铁选用一种磁性很强的圆柱形铷铁硼，直径为12～14 mm，高約10 mm，能在玻璃管内自由滑动。这类磁铁常被作为磁性粘扣，广泛用于女式包、礼品盒、包装盒中。假如一时寻找不到厚度合适的柱形磁铁，也可把多个较薄磁铁叠在一起使用。各种高度的圆柱形强力磁铁如图5所示。

3）铜质漆包线可以选用直径0.193 mm、重量0.260 2 kg/

km的规格（对应型号SWG36），既可以从淘宝网上搜购，也可以取材于某些旧电器（如可从废旧电源变压器、镇流器、电动机中拆得）。为了提高漆包线缠绕的匝数，还可在玻璃管凹槽两端再添加一对塑料环箍。在此空间内可轻松缠绕1500～2000匝的SWG36漆包线。若改用较细的漆包线，还能缠绕更多的圈数，那会产生更高的感应电压。endprint

4 电路部分的设计与制作

该发电方式存在的问题是，要想得到持续供电，就得不停地摇动，一旦停止摇动，发电器就会停止输出，这时只能靠电容器中的储能维持供电。在诸如电视机或空调遥控器之类的应用中，短时的间歇性供电即可满足需要，这应该算是一个很合适的选择；而在另一些应用中也能利用间歇性的摇动发电器来为蓄能电容器充电，再由充饱电的电容器去为应用电路提供持续的电源。

超级电容器是一种巨量电容器，具备很大的电荷存储容量。但是，相比传统电解电容，其工作电压通常较低（一般为2.5 V或2.7 V，5 V为少见）。电路中选用超级电容器作为滤波兼储能电容，它的容量越大耐压越高，其充满电荷所需要的时间就会越长。当把一个10 F/2.5 V超级电容器的电压充到2.5 V，将会存储25库仑的电量；而一个10000 μF/25 V电解电容充满电时，也只能储存0.25库仑的电量。计算公式为Q=CU（其中，Q为电量，C为电容容量，U为电容电压）。如果利用一个超级电容器来为应用电路提供电源电压，最好再搭配一种具有升压能力的高效DC-DC转换器，可将电容器提供的低值、衰变电压（如5～0.7 V）给提升和稳定为用电电路所需的足值、恒定电压（如5 V）。

图6所示电路就是利用1 F/5 V超级电容器和DC-DC变换器MAX756构成的升压型稳压电源。发电器线圈输出连接由四个二极管组成桥式整流电路，整流器输出连接一个超级电容器。MAX756能提供3.3 V或5 V输出电压，由输入引脚3/5*选定。该脚接地则输出5 V，接输入电压则输出3.3 V。

如图6所示，MAX756的外围还需几个元件，如用于储能的电感22 μH，用于整流的低压降快恢复型二极管1N5819，滤波电容100 μF等[1]。

表1中提供了几种可选的DC-DC转换器，并且给出静态电流和最低输入电压。选用时所考虑的因素，首先是静态电流要低，其次是廉价易购且焊装容易。

图7所示电路，就是利用4700 μF/25 V电解电容和低压降（LDO）微功耗线性稳压器LP2950构建的降压型稳压电源。NS公司研制的LP2950具有极低的静态电流（典型值75 μA），以及很低的压差（负载电流100 mA时的压差仅0.38 V）。因此，这类稳压器是电池供电场合下的理想选择。另外，它采用类似小功率塑封三极管的三脚封装，焊装方便且廉价易购。LP2950有几种输出不同电压的子型号，这里选用LP2950-5V[2]。

5 实验结果及其分析

这里制作了几款不同的发电器原型机并进行了测试，试验结果与理论计算值是吻合的。缠有1800圈漆包线的发电器，开路输出的电压波形和电流波形分别如图8和图9所示。电流测量的方法是在线圈输出端连接一个0.22 Ω电阻，所显示的最大电流是180 mA。使用这种发电器，只要快速摇动100次以上，就能给一只1 F/5 V的超级电容器充电到3 V，效果还是不错的。

在图6所示的电路中，如果选用0.5 F/5 V的超级电容器，与电容两端并联的负载选用一只1 kΩ电阻来模拟，给电容充到3.75 V后，开始经负载放电，其输出电压与时间的曲线如图10所示。从图中可见，供电维持了10分钟之后，输出电压才降到1 V以下。

至此，已拥有一款法拉第发电器，不仅可用于物理实验和教学演示，还可在未来的一些电子制作项目中采用这种免费、环保、取用不尽的电能来源。

6 法拉第发电器的应用实例

基于小巧低耗的AVR单片机，设计几款用本发电器供电的实用项目，以满足学生课余仿制和实训教学。每个项目均有完备详尽的技术资料，包含功能简介、设计要求、设计说明、电路原理、实物焊装、程序清单、测试结果等[3]。

红外遥控器 图11是一款红外遥控器的电路板和外观图。该遥控器可以遥控空调、电视机等设备。使用时先摇晃发电，然后按动按键以发布遥控命令。

电子骰子 图12是一款利用八脚AVR单片机制作的电子骰子的电路板和外观图。该电子骰子可以模仿麻将中的六面体骰子，按照骰子的六面图案随机点亮七颗LED中的1～6颗，来模拟骰子的点数。

摇摇棒 图13是一款利用14脚AVR单片机制作的摇摇棒的实物图。它很好地借用了人眼的视觉暂留效应（即灯影在人眼中会暂留约八微秒时间），利用一列七只LED在运动状态下的亮、灭动态控制，显示一组预定的信息“Make：?”。当快速晃动时，显示效果如图14所示。改变程序中的数据可以更换显示内容[4]。

7 结语

本文所介绍的法拉第发电器及后续的一些制作项目，经过几年的教学应用和课程实训的制作实践，取得一系列显著的教学效果，达到甚至超出预期规划目标，增强了学生学习的积极性和主动性，提升了学生的动手欲望和操作能力。

该发电器优点显著，与电池相比，它不仅提供了便利清洁的能源，还可重复使用，不用支付用电成本，同时能锻炼身体；它集趣味性、娱乐性、实用性于一身，不仅可以作为物理实验教具，而且可以作为实训制作的套件，用来激发学生的学习兴趣和创作欲望；它取材方便、制作容易，适合用于培养学生学以致用、学用结合、理实对接、脚踏实地、勤动手、爱劳动、善思考的学习习惯和创新意识；它以实作项目为载体，把物理、电路、模电、数电、单片机等多学科知识融合进来，启发学生只有去积极拓展知识的深度和广度，才能满足企业岗位的实际用人需求；它顺应当前世界发展潮流和国家发展战略所倡导的绿色发展、循环经济、产业转型，适合用来引导学生树立环保意识、勤俭节约意识、废物再利用意识，响应国家“双创”号召的意识。

参考文献

[1]MAXIM.MAX756 Datasheet[EB/OL].http：//html.alldatasheet.com/html-pdf/73779/MAXIM/MAX756/385/3/MAX756.html.

[2]National Semiconductor. LP2950/LP2951 Series of

Adjustable Micropower Voltage Regulators[EB/OL].http：//

www.ti.com.cn/product/cn/LP2951JAN/description.

[3]Atmel.8-bit AVR Microcontroller with 16K Bytes In-

System Programmable Flash ATmega169V/ATmega169[EB/OL].http：//www.atmel.com/Images/Atmel-8303-8-bit-AVR-Microcontroller-tinyAVR-ATtiny1634_Datasheet.pdf.

[4]李學海.PIC单片机BASIC编程项目开发[M].北京：科学出版社，2012：157-160，172-175.endprint