關(guān)于四類簡易電動機的模型建構(gòu)和比較

陳 輝

永康市第一中學(xué)，浙江 金華 321300

簡易電動機指由干電池、強磁鐵、通電導(dǎo)體共同組成的機械輸出裝置，它取材簡單、成本低廉，隨著釹鐵硼磁鐵的普及，許多構(gòu)思巧妙的簡易電動機被設(shè)計制造出來。簡易電動機是近幾年的熱點，問題生活情境化，是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的良好教學(xué)素材，它不僅能考查電磁學(xué)知識、培養(yǎng)建模能力，還能激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)科學(xué)探究能力。

簡易電動機結(jié)構(gòu)簡單，外觀有許多相似之處。但“磁不可貌相”，這些電動機的工作原理不盡相同，即使同一類電機之間，模型也非常容易混淆。建模能力要求高、難度大，是物理建模教學(xué)的難點。本文列舉四類簡易電動機，對各類相似電機模型進行梳理比較，總結(jié)規(guī)律，有助于進一步明晰和理解。

1 電磁小火車的平動與轉(zhuǎn)動

1.1 模型建構(gòu)

如圖1所示，取一節(jié)干電池，兩端各吸附一塊強磁鐵，電池和磁鐵整體看作一輛磁力小火車。將磁力小火車放置在水平桌面的錫箔紙上[1]，當左右兩側(cè)磁鐵的磁極方向相反時，電流從左至右流過錫箔紙，錫箔紙相當于一條通電直導(dǎo)線。根據(jù)磁場分布，錫箔紙受垂直紙面向內(nèi)的安培力，由力的相互作用規(guī)律，小火車將垂直紙面向外運動。

圖1 磁力小火車及其模型建構(gòu)

若將兩側(cè)磁鐵磁極方向調(diào)整為同向，小火車如何運動？由圖中模型分析可知，錫箔紙左側(cè)受向內(nèi)的安培力，右側(cè)受向外的安培力，小火車受相反方向的作用力原地轉(zhuǎn)動，俯視觀察小火車逆時針旋轉(zhuǎn)。

1.2 模型比較歸納

電池兩端磁極取向相反，小火車兩端受同向安培力做平動；

電池兩端磁極取向相同，小火車兩端受反向安培力做轉(zhuǎn)動。

2 電動機的間斷性驅(qū)動與持續(xù)性驅(qū)動

2.1 模型建構(gòu)

在發(fā)電機的原理分析中，圓環(huán)還是半環(huán)接線柱決定著輸出的電流是交流電還是直流電。而電動機中的接線柱同樣關(guān)鍵，它決定著電動機能否正常工作。如圖2，線圈外部帶有絕緣塑料，剔除兩端接線柱上的絕緣塑料并置于支架，通電后未能持續(xù)轉(zhuǎn)動。是何原因？磁場豎直分布，豎直線圈的上下導(dǎo)線內(nèi)通以反向電流，啟動后上下安培力的力矩同向且為動力，轉(zhuǎn)過半圈上下電流位置互換，安培力方向與之前相反且為阻力，效果相互抵消。

圖2 一種圓形線圈電動機

措施：保持左側(cè)接線柱全導(dǎo)通，右側(cè)接線柱上半部粘上一層絕緣膠，下半部可導(dǎo)電；或采用漆包線，處理方式相同。線圈前半圈通電受驅(qū)動力，后半圈不通電靠慣性，電機受間斷性驅(qū)動力轉(zhuǎn)動。

若采用圖3所示的裝置，線圈對稱分布在電池兩側(cè)，由模型受力分析知線框受持續(xù)性驅(qū)動而轉(zhuǎn)動，較前面電機動力輸出更加穩(wěn)定。

圖3 一種對稱線圈的電動機

2.2 模型比較歸納

線圈位于磁極上方一側(cè)，兩接線柱電流半導(dǎo)通，電動機受間斷性驅(qū)動而轉(zhuǎn)動；

線框?qū)ΨQ置于磁極兩側(cè)，接線柱持續(xù)通電，線圈受穩(wěn)定力矩而持續(xù)轉(zhuǎn)動。

3 單磁極電動機與雙磁極電動機

3.1 模型建構(gòu)

一根鐵釘、一節(jié)電池、一根導(dǎo)線和一個紐扣強磁鐵，可組成單磁極電動機。如圖4所示，將鐵釘和磁鐵相連豎直吸附在電池下端，用導(dǎo)線將電池上端與磁鐵連接，通電后鐵釘和磁鐵一起轉(zhuǎn)動。

圖4 單磁極電動機

將鐵釘改置于上方固定，電池上下兩端各吸附一塊磁鐵懸掛于鐵釘上組成雙磁極電動機，如圖5所示。若電池兩端磁鐵磁極取向相反，上下導(dǎo)線所受安培力方向相同，效果等同于單磁極電機。若電池兩端磁鐵磁極取向相同，實驗表明組合體轉(zhuǎn)動緩慢甚至幾乎不轉(zhuǎn)。通過模型分析，因為上下導(dǎo)線所受安培力比較對稱、等大反向而相互抵消。將導(dǎo)線略微向上移防止對稱，組合體轉(zhuǎn)動明顯加快，但動力輸出不足。

圖5 雙磁極電動機

3.2 模型比較歸納

單磁極電動機通電導(dǎo)線受安培力方向一致發(fā)生轉(zhuǎn)動；

雙磁極電動機若磁極取向相反，效果等同為單磁極電動機。若磁極取向相同，只有防止線圈對稱放置才能轉(zhuǎn)動，動力輸出不如單磁極電動機。

4 螺線管與金屬管導(dǎo)電方式驅(qū)動

4.1 模型建構(gòu)

一段由裸銅線繞制的螺線管，相鄰兩匝間留一定空隙，將兩端磁極相反的電磁小火車置于其中，如圖6所示。電流從電池正極經(jīng)磁鐵—螺線管—磁鐵流回電池負極，通電螺線管等效為電磁鐵，左端S極對小火車吸引，右端N極對小火車排斥，小火車沿軌道向右運動。

圖6 螺線管導(dǎo)電驅(qū)動

若將螺線管更換為金屬管，電流從電池正極經(jīng)磁鐵—金屬管下部管壁—磁 鐵流回電池負極，下管壁相當于一條通電直導(dǎo)線，根據(jù)左手定則下管壁電流受沿管道橫截面的安培力，小火車受沿管道橫截面的反向作用力在原位置旋轉(zhuǎn)。

所以，裸銅線繞制螺線管的相鄰兩匝之間必須留有空隙。只有相鄰線圈之間絕緣，迫使電流沿螺線圈流動形成電磁鐵才能驅(qū)動小火車。

4.2 模型比較歸納

導(dǎo)電方式為螺線管，構(gòu)建電磁鐵模型，小火車沿螺線管軸線運動；

導(dǎo)電方式為金屬管，構(gòu)建通電直導(dǎo)線模型，小火車位于原地旋轉(zhuǎn)。

5 結(jié)束語

簡易電機取材簡單，成本低廉，可作為學(xué)生興趣培養(yǎng)的課外活動制作內(nèi)容來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐精神，它源于生活、高于生活、回歸于生活，讓學(xué)生體驗生活中“低成本”鑄就“大智慧”[2]。

簡易電機簡約而不簡單，模型種類豐富，建模難度大、能力要求高。通過以上四類相似電動機模型的比較與歸納，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，對簡易電動機有更深入的理解，是提升物理核心素養(yǎng)和學(xué)科素養(yǎng)的有效素材和實踐路徑。