哥倫布蛋與旋轉(zhuǎn)磁場

韓永志

航海家哥倫布巧立雞蛋的故事相信很多人都聽說過，這里我們把哥倫布蛋與旋轉(zhuǎn)磁場放在一起，是為了向大家介紹一些有趣的電磁學(xué)知識。實際上，在哥倫布生活的15—16世紀，人們對電的認識仍僅僅停留在雷電和摩擦起電的階段，更別說旋轉(zhuǎn)磁場了。

我們這里所說的哥倫布蛋已經(jīng)不是當年哥倫布巧立起來的真雞蛋了，而是塞爾維亞裔美籍科學(xué)家、發(fā)明家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856.7.10—1943.1.7）為了進行電學(xué)實驗而特制的形狀類似雞蛋的銅蛋，因為他在實驗中像哥倫布立雞蛋一樣把這個銅蛋立了起來，所以起了個這樣的名字。當然，特斯拉立起這個銅蛋時并沒有像哥倫布那樣把蛋的一頭碰破，而是利用了旋轉(zhuǎn)磁場。為了能更方便地介紹相關(guān)知識，還要從特斯拉發(fā)明交流電動機說起。

19世紀下半葉，以電能開發(fā)和應(yīng)用為標志的第二次技術(shù)革命——電力技術(shù)革命極大地改變了人們的生產(chǎn)生活方式，使人類社會開始步入電氣化時代。而特斯拉為電力技術(shù)革命作出了非常重要的貢獻，他的發(fā)明專利和理論研究工作為現(xiàn)代交流電系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。1882年，特斯拉發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場，即磁感應(yīng)矢量在空間以固定頻率旋轉(zhuǎn)的一種磁場，它是電能和轉(zhuǎn)動機械能之間相互轉(zhuǎn)換的基本條件，在交流電機、測量儀表等裝置中得到廣泛應(yīng)用。之后經(jīng)過多年反復(fù)試驗，特斯拉于1887年發(fā)明了第1臺交流感應(yīng)電動機。但是由于當時使用的幾乎都是直流電，而且旋轉(zhuǎn)磁場也無法用肉眼直接觀察到，因此特斯拉必須想出非常直觀有效的方法讓投資人充分理解旋轉(zhuǎn)磁場，并相信由其驅(qū)動的交流電動機將有實際的應(yīng)用價值和商業(yè)價值，于是“哥倫布蛋”登場了。

一次會議上，特斯拉向投資人說起哥倫布巧立雞蛋的故事。原來意大利航海家克里斯托弗·哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸之后，有些人對他不相信，甚至諷刺挖苦，為了駁斥嘲笑者，哥倫布才將別人無法立起的雞蛋打破一頭立了起來。特斯拉向投資人提議，如果他能夠比哥倫布做得更好，不打破蛋殼就將蛋立起來，那么就請投資人為他的交流電動機項目投資。投資人對此也頗感興趣，于是欣然答應(yīng)。

隨后特斯拉便忙活起來，他把4個線圈繞在1個環(huán)形鐵芯上，線圈兩兩相對（如圖2左上角小圖所示），并將其固定在1個木盤下，同時他還制作了1個銅蛋和幾個銅球。當投資人再次來到實驗室時，特斯拉把銅蛋和銅球都放到木盤里，并在木盤下的線圈中通入兩相交流電。此時令人驚奇的事情發(fā)生了，銅蛋和銅球好像受到了魔法的驅(qū)動似的快速旋轉(zhuǎn)起來，并且隨著轉(zhuǎn)速不斷加快，原來躺著旋轉(zhuǎn)的銅蛋竟然自己豎立了起來。當在場的人都被驚得目瞪口呆時，特斯拉向大家解釋說，其實這不是什么魔法，而是木盤下線圈所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場使銅蛋和銅球旋轉(zhuǎn)起來，而交流電動機也正是靠旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動的。結(jié)果大家一定都猜到了，特斯拉如愿以償?shù)氐玫搅怂枰耐顿Y，進一步對交流電進行更加深入地研究，并取得了巨大的成功。實際上，今天在全世界被廣泛使用的現(xiàn)代交流電系統(tǒng)，正是在特斯拉的眾多研究成果上發(fā)展起來的。

聽完特斯拉的哥倫布蛋實驗的故事，是不是很想親眼看看這個有趣的裝置？到中國科技館常設(shè)展廳2層“探索與發(fā)現(xiàn)”A廳，你就能在“電磁之奧”展區(qū)看到經(jīng)過改良后的“哥倫布蛋”展品，而且你可以通過親手操作，使“哥倫布蛋”豎立起來，這件展品的名字叫做“旋轉(zhuǎn)的銀蛋”。

如圖3所示，在橢圓形展臺上設(shè)置有2個透明的有機玻璃圓盤，其中1個圓盤中放有1個銀色的金屬蛋，這就是我們的“哥倫布蛋”了，在這里我們稱它為“銀蛋”。按下圓盤前的“啟動”按鈕為展品通電，就像我們前面所描述的特斯拉的“哥倫布蛋”一樣，銀蛋開始轉(zhuǎn)動，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加銀蛋會自己豎立起來。此時按下“反向”按鈕，銀蛋會很快停下來，隨后開始反向旋轉(zhuǎn)，并再次豎立起來。

那么是什么使銀蛋在圓盤中快速旋轉(zhuǎn)呢？你一定會脫口而出“旋轉(zhuǎn)磁場”！對，就是旋轉(zhuǎn)磁場。透過有機玻璃圓盤你會看到，在其下方安裝有1個繞有線圈的環(huán)形鐵芯，與我們上面所介紹的特斯拉的裝置非常相像，所不同的是這里只有3個線圈，互成120°夾角纏繞在鐵芯上（如圖4所示）。按下“啟動”按鈕后，線圈中將通以三相交流電（大小和方向都隨時間周期性變化的電流，叫做交變電流，簡稱交流。頻率相同而相位彼此差120°的三個交流電，叫做三相交流電，簡稱三相電。產(chǎn)生三相電的每個線圈叫做一相），而不是特斯拉所使用的兩相交流電，這主要是因為現(xiàn)在被全世界廣泛使用的是三相交流電，因此在這里使用三相電會更加方便，而且也更有利于對現(xiàn)代交流電系統(tǒng)的相關(guān)知識進行介紹和展示。

三相交流電和兩相交流電所產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的原理是完全一樣的，因此這件展品可以很好地模擬特斯拉的“哥倫布蛋”。線圈中通入三相交流電后，會在其周圍的空間中生成旋轉(zhuǎn)磁場，而銀蛋是閉合的導(dǎo)體，旋轉(zhuǎn)磁場會在金屬蛋中產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于該電流的流線成閉合的渦旋狀，因此也被稱為“渦電流”，簡稱“渦流”。楞次定律告訴我們，閉合回路中感應(yīng)電流的方向總是使得它所激發(fā)的磁場阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，所以感應(yīng)電流的磁場要阻礙旋轉(zhuǎn)磁場的變化，正是這兩個磁場的相互作用使銀蛋旋轉(zhuǎn)起來。而按下“反向”按鈕，則會將三相交流電中的任意兩相對調(diào)，此時旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向隨之反轉(zhuǎn)過來。在反向旋轉(zhuǎn)磁場的作用下銀蛋將很快停下來，而后開始反向轉(zhuǎn)動。工業(yè)中被廣泛使用的三相感應(yīng)電動機就是利用三相電所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場工作的。銀蛋之所以在旋轉(zhuǎn)過程中能豎立起來，則是因為對其內(nèi)部進行了特殊處理，使質(zhì)量分布不均勻，因此當其快速旋轉(zhuǎn)時，在離心力、重力及摩擦力的聯(lián)合作用下便豎立了起來。

看到這里你可能會問，展品右邊的有機玻璃圓盤和左邊的那個有什么不同嗎？它是用來做什么的？其實這兩個圓盤及其下面線圈的結(jié)構(gòu)幾乎完全相同，只不過右邊的線圈沒有換相電路，這個圓盤是讓大家利用自己所帶的一些物品親手做一些小實驗用的。比如，在為線圈通電后，你可以把1分、2分或5分的硬幣投入其中，你將看到硬幣在彈跳幾下后會豎立著快速旋轉(zhuǎn)，當然這也是由三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的作用形成的現(xiàn)象。不過拋硬幣也需要一定的技巧，并不是每次都能讓硬幣旋轉(zhuǎn)起來，沒關(guān)系，多試幾次就好了。另外，如果你身上正好帶著指南針，那么把它放到托盤中，接通電源后，你會看到指南針在旋轉(zhuǎn)磁場的驅(qū)動下，快速轉(zhuǎn)動。