電磁小火車運動原理分析

代　戰(zhàn)　戴　瑞　隋玲玉

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長春　130024)

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大學(xué)生園地

電磁小火車運動原理分析

代戰(zhàn)戴瑞隋玲玉

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長春130024)

電磁小火車題目來自2016年IYPT中的一道題目，介紹了一個兩端扣有紐扣磁鐵的干電池可以在螺繞環(huán)中運動，吸引了很多中學(xué)生的注意，學(xué)生對此很感興趣，迫切想要了解其中的物理知識.這個現(xiàn)象與高中所學(xué)的電磁學(xué)知識緊密相關(guān),而且電磁學(xué)知識是高考中很重要的知識.本文介紹了電磁小火車的制作方法，并運用高中知識解釋了小火車的運動原理，有助于學(xué)生理解電與磁之間的相互作用，加深對高中電磁學(xué)知識的理解，以期提高學(xué)生運用物理知識解決實際問題的能力.

電磁；螺繞環(huán)；磁場

1　電磁小火車的構(gòu)造

制造材料：一節(jié)干電池(5號)、4個紐扣磁鐵(兩個直徑15mm和兩個直徑10mm)、銅線若干(直徑1mm，全裸).

制作方法：將一個直徑15mm的紐扣磁鐵和一個直徑10mm的紐扣磁鐵按圖1所示分別扣在干電池的兩端，注意紐扣磁鐵朝向電池的極性要

相同，這樣制成小火車.銅線繞成的螺繞環(huán)是小火車的軌道(螺繞環(huán)是直螺繞環(huán)，也可以彎曲)，制作時可以將銅線繞在一個圓柱形棒上，注意直螺繞環(huán)的直徑要大于磁鐵的直徑，銅線要按一定的方向纏繞，纏繞一定的長度即可，我們會發(fā)現(xiàn)由于銅線的韌性，每匝之間會有一個小縫隙，使得每兩匝之間沒有直接接觸，這也為形成電磁鐵提供了條件.制作完成如圖1所示：

圖1　小火車成品圖

2　電磁小火車的運動原理分析

下文以紐扣磁鐵的N極指向電池制成的小火車和直螺繞環(huán)為例來分析原理.從右側(cè)看去直螺繞環(huán)中銅線按順時針方向繞制，其他情況分析方式相同.本文將小火車進入直螺繞環(huán)分為3個階段來分析.

2.1小火車剛要進入直螺繞環(huán)階段

小火車剛進入直螺繞環(huán)時是電池正極端的紐扣磁鐵S極進入，由圖2可知：磁鐵進入時，直螺繞環(huán)的磁通量增加，由楞次定律，螺繞環(huán)會產(chǎn)生反方向的磁通量，即磁鐵會受到一定的阻力，但是由于手給予的推力，小火車可以順利地進入直螺繞環(huán).這里需要說明的是：由于直螺繞環(huán)是由銅線環(huán)繞而成，每一匝之間都有縫隙，所以在很大程度上減小了感應(yīng)電流的產(chǎn)生，以至于阻礙的作用沒有磁鐵在銅管中那么明顯，筆者在操作時也發(fā)現(xiàn)，剛要進入時楞次定律的阻礙效應(yīng)幾乎感受不到.

圖2　小火車進入時分析圖

2.2小火車進入直螺繞環(huán)階段

當(dāng)小火車進入直螺繞環(huán)后，由于電池的正負(fù)極都與紐扣磁鐵相連，而磁鐵又具有導(dǎo)電性，所以電池和磁鐵與直螺繞環(huán)接觸的部位就形成了通路，電流的方向從正視圖看是向上的，如圖3所示，這也是小火車獲得動力的本質(zhì)原因，解釋這個力有兩種方法，筆者分別加以闡述.

圖3　小火車進入后分析圖

圖4　受力原理分析圖

第一種解釋：以一匝螺線圈為例介紹，由于通電線圈處于紐扣磁鐵的N極磁場中，將N極產(chǎn)生出的磁感線分為平行于螺繞環(huán)中心軸和垂直于螺繞環(huán)中心軸的兩個方向，對產(chǎn)生水平方向力有作用的是垂直于螺線圈中心軸方向的磁感線；如圖4所示，利用左手定則，四指指向電流的方向，電流方向沿螺線圈向上，磁感線穿過手心，可知螺線圈受到的力的方向向右，利用牛頓第三定律可知：小火車受到的力向左，力的大小為所有通電線圈所受力的合力，所以小火車會向左運動.有時在向里推的時候會受到阻力，小火車好像在向外倒退，這是由于小火車在螺繞環(huán)中電磁鐵的磁極與磁鐵的磁極相互排斥，在我們設(shè)想的運動中充當(dāng)?shù)氖亲枇Γ赃@個例子來說，就相當(dāng)于我們把電池負(fù)極相連的紐扣磁鐵放入螺繞環(huán)時，它就會倒退.

第二種解釋：當(dāng)小火車進入直螺繞環(huán)后，由于電池的正負(fù)極都與磁鐵相連，而磁鐵又具有導(dǎo)電性，所以電池和磁鐵與螺繞環(huán)接觸的部位就形成了通路，那么連通的那段螺繞環(huán)就形成了一個電磁鐵，根據(jù)安培定則，如圖5，可以判斷出通電螺繞環(huán)左端為N極，右端為S極，從圖中我們可以看出右端同名磁極相互排斥，左端異名磁極相互吸引，在磁極的相互作用下小火車向左運動.

圖5　磁極分析圖

2.3小火車離開直螺繞環(huán)階段

小火車離開螺繞環(huán)時，如圖6，只有電池負(fù)極的磁鐵在螺繞環(huán)中，磁鐵通過螺繞環(huán)的磁通量減少，由楞次定律知，螺繞環(huán)會產(chǎn)生反方向的磁通量，即磁鐵會受到一定的阻力，但是由于慣性，小火車可以順利地離開螺繞環(huán).這里同樣發(fā)現(xiàn)楞次

圖6　小火車出來時分析圖

定律的阻礙作用微乎其微，基本感受不到.

3　結(jié)語

筆者通過本文分析電磁小火車運動的原理，

目的在于希望中學(xué)生在學(xué)習(xí)了物理知識后，可以理論聯(lián)系實際，運用物理知識解釋生活中的一些現(xiàn)象，同時也希望中學(xué)生可以運用自身所學(xué)的物理知識制作一些作品，例如本文中的電磁小火車.這樣不僅可以鍛煉動手能力，同時也可以把相關(guān)的知識理解得更為透徹，在一定程度上激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識的積極性.

[1]劉傳先，夏義琴.論電磁相互作用力的產(chǎn)生[J].阜陽師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),1993,20(2):8-9.

[2]趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)[M].北京:高等教育出版社，2011：251-254.

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ANALYSISONTHEPRINCIPLEOFELECTROMAGNETICSMALLTRAIN

DaiZhanDaiRuiSuiLingyu

(PhysicsSchool,NortheastNormalUniversity,Changchun,Jilin130024)

Theissueoftheelectromagneticsmalltraincamefromaquestionin2016IYPT,whichintroducedaphenomenonthatadrycellwiththebuttonmagnetattwoendscouldmoveinthetoroid.Thisphenomenonattractedtheattentionsofmanymiddleschoolstudents,whohadgreatinterestonthisproblemandurgentlywantedtounderstandtheinsidephysicalknowledge.Indeed,thisphenomenoniscloselyrelatedtotheknowledgeofelectromagnetismstudiedinseniorhighschool,andtheelectromagneticknowledgeisaveryimportantpartofknowledgeincollegeentranceexamination.Thispaperintroducesthemakingmethodoftheelectromagnetictrainandexplainstheprincipleofthemotionofthetrainbyusingtheknowledgelearnedinseniorhighschool.Ithelpsstudentsunderstandtheinteractionbetweenelectricityandmagnetism,anddeepentheirunderstandingoftheelectromagnetismknowledgelearnedinhighschool,inordertoimprovestudents’abilitytosolvepracticalproblemswiththeirphysicalknowledge.

electromagnetism;toroid;magneticfield

2015-12-18;

2016-02-02

東北師范大學(xué)物理學(xué)院實驗儀器研發(fā)項目(No.20150107).

戴瑞，女，副教授，主要從事光學(xué)的科研與教學(xué)研究.dair986@nenu.edu.cn

引文格式: 代戰(zhàn),戴瑞,隋玲玉. 電磁小火車運動原理分析[J]. 物理與工程，2016，26(3)：71-72，77.