关于四类简易电动机的模型建构和比较

2022-12-28陈辉

物理教学探讨 2022年11期

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。