关于四类简易电动机的模型建构和比较

陈 辉

永康市第一中学，浙江 金华 321300

简易电动机指由干电池、强磁铁、通电导体共同组成的机械输出装置，它取材简单、成本低廉，随着钕铁硼磁铁的普及，许多构思巧妙的简易电动机被设计制造出来。简易电动机是近几年的热点，问题生活情境化，是培养学生核心素养的良好教学素材，它不仅能考查电磁学知识、培养建模能力，还能激发学生的物理学习兴趣，培养科学探究能力。

简易电动机结构简单，外观有许多相似之处。但“磁不可貌相”，这些电动机的工作原理不尽相同，即使同一类电机之间，模型也非常容易混淆。建模能力要求高、难度大，是物理建模教学的难点。本文列举四类简易电动机，对各类相似电机模型进行梳理比较，总结规律，有助于进一步明晰和理解。

1 电磁小火车的平动与转动

1.1 模型建构

如图1所示，取一节干电池，两端各吸附一块强磁铁，电池和磁铁整体看作一辆磁力小火车。将磁力小火车放置在水平桌面的锡箔纸上[1]，当左右两侧磁铁的磁极方向相反时，电流从左至右流过锡箔纸，锡箔纸相当于一条通电直导线。根据磁场分布，锡箔纸受垂直纸面向内的安培力，由力的相互作用规律，小火车将垂直纸面向外运动。

图1 磁力小火车及其模型建构

若将两侧磁铁磁极方向调整为同向，小火车如何运动？由图中模型分析可知，锡箔纸左侧受向内的安培力，右侧受向外的安培力，小火车受相反方向的作用力原地转动，俯视观察小火车逆时针旋转。

1.2 模型比较归纳

电池两端磁极取向相反，小火车两端受同向安培力做平动；

电池两端磁极取向相同，小火车两端受反向安培力做转动。

2 电动机的间断性驱动与持续性驱动

2.1 模型建构

在发电机的原理分析中，圆环还是半环接线柱决定着输出的电流是交流电还是直流电。而电动机中的接线柱同样关键，它决定着电动机能否正常工作。如图2，线圈外部带有绝缘塑料，剔除两端接线柱上的绝缘塑料并置于支架，通电后未能持续转动。是何原因？磁场竖直分布，竖直线圈的上下导线内通以反向电流，启动后上下安培力的力矩同向且为动力，转过半圈上下电流位置互换，安培力方向与之前相反且为阻力，效果相互抵消。

图2 一种圆形线圈电动机

措施：保持左侧接线柱全导通，右侧接线柱上半部粘上一层绝缘胶，下半部可导电；或采用漆包线，处理方式相同。线圈前半圈通电受驱动力，后半圈不通电靠惯性，电机受间断性驱动力转动。

若采用图3所示的装置，线圈对称分布在电池两侧，由模型受力分析知线框受持续性驱动而转动，较前面电机动力输出更加稳定。

图3 一种对称线圈的电动机

2.2 模型比较归纳

线圈位于磁极上方一侧，两接线柱电流半导通，电动机受间断性驱动而转动；

线框对称置于磁极两侧，接线柱持续通电，线圈受稳定力矩而持续转动。

3 单磁极电动机与双磁极电动机

3.1 模型建构

一根铁钉、一节电池、一根导线和一个纽扣强磁铁，可组成单磁极电动机。如图4所示，将铁钉和磁铁相连竖直吸附在电池下端，用导线将电池上端与磁铁连接，通电后铁钉和磁铁一起转动。

图4 单磁极电动机

将铁钉改置于上方固定，电池上下两端各吸附一块磁铁悬挂于铁钉上组成双磁极电动机，如图5所示。若电池两端磁铁磁极取向相反，上下导线所受安培力方向相同，效果等同于单磁极电机。若电池两端磁铁磁极取向相同，实验表明组合体转动缓慢甚至几乎不转。通过模型分析，因为上下导线所受安培力比较对称、等大反向而相互抵消。将导线略微向上移防止对称，组合体转动明显加快，但动力输出不足。

图5 双磁极电动机

3.2 模型比较归纳

单磁极电动机通电导线受安培力方向一致发生转动；

双磁极电动机若磁极取向相反，效果等同为单磁极电动机。若磁极取向相同，只有防止线圈对称放置才能转动，动力输出不如单磁极电动机。

4 螺线管与金属管导电方式驱动

4.1 模型建构

一段由裸铜线绕制的螺线管，相邻两匝间留一定空隙，将两端磁极相反的电磁小火车置于其中，如图6所示。电流从电池正极经磁铁—螺线管—磁铁流回电池负极，通电螺线管等效为电磁铁，左端S极对小火车吸引，右端N极对小火车排斥，小火车沿轨道向右运动。

图6 螺线管导电驱动

若将螺线管更换为金属管，电流从电池正极经磁铁—金属管下部管壁—磁 铁流回电池负极，下管壁相当于一条通电直导线，根据左手定则下管壁电流受沿管道横截面的安培力，小火车受沿管道横截面的反向作用力在原位置旋转。

所以，裸铜线绕制螺线管的相邻两匝之间必须留有空隙。只有相邻线圈之间绝缘，迫使电流沿螺线圈流动形成电磁铁才能驱动小火车。

4.2 模型比较归纳

导电方式为螺线管，构建电磁铁模型，小火车沿螺线管轴线运动；

导电方式为金属管，构建通电直导线模型，小火车位于原地旋转。

5 结束语

简易电机取材简单，成本低廉，可作为学生兴趣培养的课外活动制作内容来激发学生学习物理的兴趣，培养学生的创新能力和实践精神，它源于生活、高于生活、回归于生活，让学生体验生活中“低成本”铸就“大智慧”[2]。

简易电机简约而不简单，模型种类丰富，建模难度大、能力要求高。通过以上四类相似电动机模型的比较与归纳，透过现象看本质，对简易电动机有更深入的理解，是提升物理核心素养和学科素养的有效素材和实践路径。