简易趣味电动机的制作与原理

刘剑锋 黄小连

(赣南师范大学物理与电子信息学院，江西 赣州 341000)

随着钕铁硼强磁铁的出现及普及,有越来越多的爱好者运用创新思维开发出了很多新奇有趣的小电动机,现将笔者搜集到的几种趣味性较强的小电动机的制作方法及原理分享给各位同仁,以期提供更多优秀的探究教学资源及创新教育资源．尽管这些电动机看起来制作简单,但对中学生来说要真正做成功并弄清原理却也要花费一番功夫;而且,对培养和锻炼学生的工程技术能力也有一定的帮助,因此也可以作为STEM教育资源使用．本系列资源即可以单独使用,也可以整合在一起使用．使用时应引导学生欣赏其中体现出来的优秀创新思维品质,感受智慧火花的光芒,获得一种美的体验．

1 单极感应电动机

图1 单极感应电机

该装置最早见于《’99国际物理教师学术交流会论文集》中．该文集刊登了日本东京Azabu中学教师Hiroshi Masuko的一篇论文,文中给出了这种电动机的制作方法．[1]如图1所示,在一颗钉子的钉帽上吸附一钕铁硼强磁铁,再将螺丝钉钉尖吸附在1节5号电池的正极上,这样就做好了一个电动机．使用时拿一根导线接在电池的负极上,用一只手压紧导线,另一只手拿导线的另一端轻轻接触磁铁的边缘,磁铁就带动螺丝钉旋转起来．如果将电池反接或磁铁反向,则磁铁旋转方向也反向．

图2 单极感应电机原理

流传较广的解释是吸在钉子上的磁铁对通过自身的电流产生磁力的作用,从而使磁铁旋转起来．[2]但自身的相互作用内力是不能改变自身的运动状态的,所以这种解释有问题．磁铁转动真正的原因是通电导线对磁铁的作用力．如图2所示,先分析磁铁对通电导线的作用力．导线中电流方向向上,在导线处,磁铁产生的磁场方向是斜向右上方,其竖直分量没有作用,水平分量对导线产生一个垂直纸面向里的作用力,但由于用手捏住了导线,导线无法运动．由牛顿第三定律可知,磁铁受导线给其一垂直纸面向外的力,正是在这个力的作用下磁铁才旋转起来．为检验这一分析,信丰中学刘瑛、朱向阳老师还设计制作了一个线框和磁铁同时反向转动的电动机,[3]其设计思路就是将单极感应电动机与下面介绍的韩长明马达组合成一种新的趣味电动机．

2 韩长明马达

该装置最早由东北师范大学韩长明教授研制．[2]其最初版本是将从易拉罐上剪下宽约为10 mm的一个铝环剪断,把两端重叠一段后用图钉从环外扎透,图钉的钉尖放在5号电池的正极上面,电池负极下面吸附一块圆柱形的钕铁硼强磁铁(如图3所示)．当铝环的侧边与磁铁的柱面相接触时,铝环就旋转起来了．随着时间的推移,网络上出现了用铜丝代替铝环的电动机,且由于铜丝易于弯曲,可以绕制成不同形状(图4为其中一种形状),从而增加趣味性和观赏性．

图3 韩长明马达

图4 韩长明马达转子

铝环旋转的原因分析与单极感应电动机基本一样．只是因为这时手没有捏着铝环,所以铝环会转动起来,而磁铁由于置于桌面,在桌面摩擦力作用下无法反向旋转,因此表现出来的就是铝环旋转．如果将磁铁置于光滑水平面,磁铁会带着电池反向旋转起来．

3 电池火车

如图5所示,将两块比电池直径稍大的钕铁硼强磁铁吸在电池两端,两磁铁同名磁极相对,如磁铁薄可在电池两端再各加一块磁铁．将购买的紫铜丝绕制成内径比磁铁直径还大些的线圈,线圈各匝间距约1 mm(间距太大不利于电池火车运动)．然后将电池塞入线圈中,电池将在线圈中快速运动并从另一端出来．如果塞入后电池火车不动,则应将电池火车从另一端塞入或将电池火车换个方向塞入．如果线圈足够长,可将电池火车塞入线圈后,再将线圈首尾连接起来形成一个封闭的环或增加一个上下坡,则电池火车会一直在像山洞一样的线圈中运动和上下坡,直到电池电量耗尽．电池火车形象生动、现象有趣,能很好地激发学生的兴趣和求知欲望．

图5 电池火车部件

图6 电池火车原理

其运动原理如图6所示．电池火车进入线圈后,电流从电池正极经磁铁、线圈再经磁铁回到负极．为便于分析,以与桌面接触部分的线圈为例进行受力分析．设与桌面接触部分的线圈中的电流方向垂直纸面向里．两同名磁极相对的磁极产生的磁感线形状类似于同种等量点电荷产生的电场线．由左手定则易知,与桌面接触部分的线圈受力方向向左．由于线圈受到的磁力是磁铁提供的,根据牛顿第三定律可知,与桌面接触部分线圈对磁铁的作用力方向向右,因此电池火车将向右运动起来．如果这时将电池火车从线圈右侧塞入线圈,则电池火车无法进洞．

对于初中学生,可换一种讨论方法．将每匝线圈看作一个小磁铁,则每匝线圈左侧为S极,右侧为N极,由于通电线圈部位集中在两磁铁之间,于是电池火车左边的磁铁将受到向右的吸引力,右边的磁铁将受到向右的排斥力,因而电池火车总体将受到向右的作用力,因此电池火车将向右运动起来．

4 两轮小车

如图7所示,两轮小车的制作方法与电池火车相似,只要将两块比电池直径大的钕铁硼强磁铁吸在电池两端,两磁铁同名磁极相对就制作好了．但玩的方法不同,是将制作好的两轮小车置于一块锡箔纸上,则两轮小车将在锡箔纸上向前或向后滚动起来,就像两个轮子的小车一样．

图7 两轮火车

图8 两轮火车原理

其运动原理如图8所示．两轮小车放在锡箔纸上后,电流从电池正极经磁铁、锡箔纸再经磁铁回到负极,锡箔纸上电流方向与电池平行,设电流方向向右．根据左手定则可知,锡箔纸上的电流受到磁铁给它的一个垂直纸面向里的磁力(向前的力),根据牛顿第三定律可知,锡箔纸上的电流将给磁铁一个垂直纸面向外的作用力(向后的力),于是两轮小车就向后运动起来．如果将两轮小车的磁极换个方向或改变电池极性,则两轮小车的运动方向将随之改变．由于通电的锡箔纸长度远小于电池火车中线圈的长度,电磁相互作用力相对较小,本实验中的电池不要像电池火车那样采用普通的1.5 V干电池,而应采用高亮激光笔中的3.7 V充电电池,否则现象可能不明显．

5 轮轨小车

如图9所示,寻找一根铁杆(也可将钉子两端截断后磨平)将两块钕铁硼强磁铁吸在铁杆两端,两磁铁同名磁极相对就做好了．剪两条状锡箔纸,并将两条状锡箔纸放在水平桌面上做成平行轨道,将轮轨小车放在平行轨道上．实验时将电池两端通过导线连接到两条锡箔纸上,两轮小车就会在锡箔纸轨道上运动起来．

图9 轮轨火车

开始时笔者以为受力情况类似“两轮小车”中的受力情况,是电池所在处的导线与磁铁产生相互作用来推动轮轨小车运动．但将轨道延长并使电池远离轮轨小车后,受力几乎不受影响,轮轨小车仍能快速运动;用铁片将轮轨小车的磁铁与电池所在处导线隔离屏蔽后,轮轨小车受力仍不受影响;这说明应该是通电部分的铝箔纸轨道与磁铁发生相互作用产生的力．

图10 轮轨火车原理

由于受力较复杂,无法直接利用磁铁磁场对轨道中的电流用左手定则进行受力分析．因此,笔者决定通过猜想加实验来确定其受力情况．如图10所示,当通电后,电流经电池正极流向左轨道,再经左磁铁、铁杆、右磁铁后从右轨道流回负极,可近似当作一个环形电流,则其产生的磁场的磁感线应该是垂直轨道平面向上,这时可将其假想为一块磁铁,则这块假想磁铁的N极垂直轨道平面向上．从图中可知,假想磁铁与轮轨小车的两磁铁的N极靠得更近,由于同名磁极相互排斥,所以假想磁铁将分别给两磁铁一个斜向前的力F,但由于两磁铁连为一体,其向前的分力会使轮轨小车向前运动,而与铁杆平行的分力则相互抵消．为证实这一判断,笔者用一块真实磁铁代替假想磁铁进行实验,结果发现实验结果与猜想相吻合．同样,改变磁极和电流方向,轮轨小车的运动方向会相应改变．本实验用的电池是高亮激光笔中的3.7 V充电电池．

6 跳跳弹簧

如图11所示,将钕铁硼强磁铁吸在电池下端,并置于桌面,用铜丝(可从家庭装修用多股铜导线中抽取一根)绕制成一铜丝弹簧并套在电池上,铜丝弹簧下端压在磁铁下与磁铁紧密接触,弹簧上部末端在电池正极上方弯出一竖直线,靠近正极但不接触正极．实验时,用手将弹簧下压,使弯出的竖直线与电池正极接触,然后松手,这时能看到铜丝弹簧不断地上下跳动．制作时,铜丝弹簧应保证具有一定的弹性,竖直线尽量靠近正极但不能接触正极,电池应采用普通1.5 V干电池,不要用3.7 V的激光笔充电电池,否则由于电流过大,铜丝弹簧的竖直线碰触电池正极时易熔化,从而被焊接在电池正极,造成实验失败．

图11 跳跳弹簧

图12 跳跳弹簧原理

其原理可从图12分析．当下压铜丝弹簧让竖直线与电池正极接触后,铜丝弹簧将电池短路,铜丝弹簧中出现短路电流．对图12铜丝弹簧右侧部分进行受力分析,其电流方向垂直纸面向外,磁铁产生的磁场在此处的方向为斜向右上方,其竖直分量对电流产生向左的力,对弹簧跳动没有影响,而且会相互抵消．但水平分量对电流产生一个向上的磁力,从而使弹簧向上弹起,竖直线脱离电池正极,电流消失,弹簧在自身弹力及重力作用下又向下回缩,由于惯性,当回缩至越过平衡位置,竖直线再次碰触电池正极时,电池又重新被短路,于是开始下一周期的跳动．