3种太阳能动力磁悬浮演示仪器

魏 勇，张竟原，苏于东，刘春兰，姜友嫦

(重庆三峡学院 物理学基础实验教学示范中心，重庆 404120)

太阳能是可再生资源，是现代人类使用的能源类型中不可或缺的部分，自1615年法国工程师所罗门·德·考克斯制造第1台太阳能驱动的发动机算起，经过了300多年到现在，太阳能已经融入人们的生活之中[1]. 在现代物理教育中十分有必要将有关太阳能的知识引入到物理课堂中[2]，通过相关的模型来辅助教学，并让学生亲自动手实践，实行互动的教学模式,这样不仅能将枯燥的知识变得生动有趣,让学生易于接受,还能激发学生的学习兴趣，并且传播新能源知识，让更多的低龄学生可以亲身感受到太阳能能源的优势和实践应用的相关知识. 本文介绍了3种太阳能动力的物理演示仪器，能够生动形象地演示太阳能在物理中的实际应用.

1 太阳能电池板原理

太阳能电池板依据某些特定材料的光电性质制成，其具体原理是利用了半导体PN结这一特性,其结构如图1所示. 若用导线将半导体的两端连接构成闭合回路，在回路中会产生稳定电流. 利用这一特性，将硅晶片制成太阳能电池板，当有阳光照射到晶片表面时，光子会激发晶片中的自由电子，产生空穴，空穴与自由电子扩散产生电场，进而产生电势差，当光强越强时，光子激发的自由电子越多，产生的电势差越高[3-4].

图1 半导体PN结示意图

2 仪器介绍

2.1 太阳能电磁动力旋转仪器

如图2所示，太阳能电磁动力旋转仪器包括太阳能电池板、线圈、转子和转盘. 仪器工作时，太阳光照射在太阳能电池板上，太阳能电池板产生的电流流入底部线圈中，线圈激发磁场，磁场与底部转子中的小磁铁相互作用产生力矩，使中心转子转动.

在顶部太阳能电池板中，相邻两太阳能电池板为同一组，连接底部同一线圈，转盘表面设有两阴影部分，在转动时能够阻挡太阳光的照射，避免太阳光同时照射所有太阳能电池板. 转盘转动时，被遮挡的2组电池板所对应的线圈产生两极性相反的磁场，未被遮挡的一组电池板在线圈中产生大小相等、方向相反的电流，故不激发磁场，通过这种方式，间接实现了线圈换向的功能[5].

(a)正视图

(b)俯视图

(c)实物图图2 太阳能电磁动力旋转仪器结构图

2.2 太阳能永磁悬浮旋转仪器

如图3所示，太阳能永磁悬浮旋转仪器包括太阳能电池板、底部永磁体、转轴永磁体、合金转轴、底座和线圈. 转轴永磁体由两环形永磁体构成，其中一永磁体固定于合金转轴，另一永磁体固定于底座侧面，两永磁体相对平面所对应的极性相反，通过永磁体的磁力与底座侧面对转轴支持力共同作用，可实现将转轴及太阳能电池板悬浮. 光源从某一固定方向照射于太阳能电池板，太阳能电池板产生的电流流入线圈，使线圈激发磁场，磁场与底部永磁体相互作用产生力矩，推动太阳能电池板带动转轴转动.

太阳能电池板与线圈的连接方式如图3(b)所示，其中太阳能电池板A与其对边线圈A连接，太阳能电池板B与其对边线圈B连接，以此方式连接，在运转时，做正功的太阳能电池总是正对光源位置，产生较大的电流，做负功的太阳能电池板总是背对光源位置，产生电流较小，且对应线圈距离底部永磁体较远，故太阳能电池板能朝同一方向旋转[6].

(a)正视图

(b)太阳能电池板与线圈连接方式

(c)实物图图3 太阳能永磁悬浮旋转仪器结构图

2.3 悬挂式太阳能叶片旋转仪器

如图4所示，悬挂式太阳能叶片旋转仪器包括永磁轴承、太阳能电池板、转子线圈、永磁定子、主轴、支撑架和底座. 太阳能电池板与其相对应的线圈连接，永磁轴承由两环形永磁体组成，能够实现将主轴垂直置于主体中心. 使用挂绳将仪器悬挂于空中，将光源从某一方向照射至太阳能电池板上产生电流，电流流入线圈在永磁定子的磁场中产生磁力，推动主体旋转. 当正对光源的太阳能电池板旋转至背对光源位置时，线圈内不再产生电流，故正对光源的太阳能电池板总能产生相同方向的磁力，可以实现主体朝同一方向旋转.

(a)正视图

(b)主体内俯视图 (c)实物图图4 悬挂式太阳能叶片旋转仪器结构图

3 仪器悬浮原理

上述仪器中使用了不同的悬浮原理，使其转轴部分与仪器其他部分不存在机械接触，同时能够保持自身稳定平衡.

太阳能电磁动力旋转仪器、悬挂式太阳能叶片旋转仪器均使用永磁轴承，永磁轴承利用2块半径不同的环形磁铁，其中半径较小的环形磁铁置于半径较大的环形磁铁中心，将2块磁铁分别固定在仪器转轴和主体上. 当仪器工作时，由于2块磁铁间磁力的作用能够使转轴不与主体发生机械接触，不存在摩擦，无需润滑，实现了转轴的稳定旋转.

太阳能永磁悬浮旋转仪器能够实现将主体部分悬浮在空中，其利用的是磁体间磁力相互吸引，与重力作用抵消. 在仪器转轴两端设有圆柱形永磁体，固定于主体支架中，在转轴中同样设有两圆柱形永磁体，与主体支架中的永磁体相对应，所对平面的磁体极性相反，所产生的磁力相互吸引，同时利用转轴与主体支架接触产生的支持力与磁力、重力共同作用，实现了将主体悬浮于空中.

4 3种演示仪的异同点分析

4.1 相同点

太阳能电磁动力旋转仪器、太阳能永磁悬浮旋转仪器和悬挂式太阳能叶片旋转仪器都将太阳能转化为电能，进而将电能转化为磁场能，再而转化为动能，形象地演示了太阳能发电的实验现象，在实际课堂教学中不需要利用外置电源.

4.2 不同点

太阳能电磁动力旋转仪器工作时，太阳能电池板与线圈状态都为静止状态，永磁体随转轴转动. 其换向原理是利用外置阴影遮挡太阳能电池板实现线圈中产生电流方向不同，从而实现产生的磁场方向不同，实现换向. 太阳能电池板与线圈的连接方式为：两太阳能电池板为1组，连接同一线圈，且为并联连接. 演示时需将仪器置于水平桌面.

太阳能永磁悬浮旋转仪器利用转轴永磁体的磁力与重力抵消，将仪器悬浮于空中，工作时永磁体静止，线圈与太阳能电池板随转轴转动. 其换向原理是通过仪器自身旋转使太阳能电池板背对光源，仅正对光源的太阳能电池板产生电流，使线圈对于永磁体产生的磁力始终为同一方向，从而实现仪器能够朝同一方向旋转. 每一太阳能电池板对应连接一线圈，连接方式为串联. 演示时需将仪器置于水平桌面.

悬挂式太阳能叶片旋转仪器工作时需使用挂绳或手动将其悬挂于空中. 工作时永磁体静止，线圈与太阳能电池板随主体转动. 其换向原理、太阳能电池板与线圈连接方式与太阳能永磁悬浮旋转仪器相同. 演示时不需将仪器置于桌面.

5 结束语

设计制作了3种以太阳能作为动力的物理演示仪器，其涉及的知识点包括太阳能电池板原理、各种形状磁场分布、通电线圈受力分析、悬浮力分析等. 该仪器可在物理课堂中演示太阳能的实际应用. 学生在学习太阳能原理时更易于接受，不再束缚于教师口头讲解或课件讲解，同时能够激发学生对有关太阳能知识学习的兴趣.

参考文献：

[1] 刘贞先,伊晓路,傅军. 太阳能综合利用技术探讨[J]. 应用能源技术,2006(11):31-33.

[2] 孙晶华. 太阳能电池的特性测量与应用[J]. 物理实验，2017,37(7)：37.

[3] 余长青. 光伏效应的产生机理及应用[J]. 黔南民族师范学院学报,2006,26(3):21-22.

[4] 赵学玲. 浅谈多步扩散制备太阳电池PN结工艺[J]. 电子科学技术(北京)，2017，4(2):14-16.

[5] 万山明,陈骁,黄声华. 无刷双机械端口电机原理[J]. 微电机,2009,42(7):5-8.

[6] 徐金杰. 门多西诺电机的制作及原理分析[J]. 教学仪器与实验,2013，29(10)：38-39.