魔球

張春芳　等

鄭州科技館磁電展區(qū)有一件叫魔球（如圖1、圖2）的展品，觀眾走近它只看到一個鴨蛋形金屬球放在玻璃盤上，外面用一個半球形的有機(jī)玻璃罩罩住.當(dāng)按下按鈕時，只見鴨蛋形金屬球在無形力的作用下，仿佛著了魔似的自己開始轉(zhuǎn)動，并且越轉(zhuǎn)越快，最后竟然能自己直立起來一直旋轉(zhuǎn).那么，魔球的魔力究竟來自哪里呢？

原來，魔球的魔力來自于放金屬球的玻璃盤下面.玻璃盤下裝有一個繞有線圈的環(huán)形鐵芯，鐵芯上的線圈與三相交流電源相連接．通電后，鐵芯周圍產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變化的磁場，在變化的磁場中，金屬物體內(nèi)部可產(chǎn)生渦流．盤中的金屬球處于變化磁場中，貫穿球體的變化磁場誘導(dǎo)出感應(yīng)電流，因此，原本平躺在圓盤中的鴨蛋形金屬球在渦流與外磁場的相互作用下，隨著旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動起來，速度越來越快，直至保持直立旋轉(zhuǎn)．轉(zhuǎn)動的球不一定保持在玻璃盤的中心位置，它與盤底相摩擦，除自轉(zhuǎn)外還出現(xiàn)了公轉(zhuǎn)，在離心力作用下旋轉(zhuǎn)半徑變得越來越大，觀眾可看到此時的魔球就像被鞭子不停抽打著的陀螺一樣，尖頭朝下旋轉(zhuǎn)個不停.

也許你會問：什么是渦流呢？

渦流就是“渦電流”的簡稱．當(dāng)交流電流通過導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生交變磁場，處于交變磁場中的整塊導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）的內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流在整塊導(dǎo)體內(nèi)部自成閉合回路，其流動的路線呈渦旋形，很像水的旋渦，因此稱做渦流.磁場變化越快，感應(yīng)電動勢就越大，渦流就越強(qiáng).渦流的存在有利也有弊．渦流可作為動力（如本文所提到的魔球的轉(zhuǎn)動）．感應(yīng)型測量儀表（例如電能表）上的鋁盤，就是靠鋁盤上的渦流和電磁鐵的變化磁場相互作用為動力而轉(zhuǎn)動的．渦流能使導(dǎo)體發(fā)熱（魔球轉(zhuǎn)動一段時間后，用手觸摸可感覺到它溫度的升高），若需要產(chǎn)生高溫，可利用渦流來取得熱量，冶煉金屬用的高頻感應(yīng)爐就是感應(yīng)加熱的一個重要例子.可是，在電機(jī)和變壓器設(shè)備中，由于渦流熱效應(yīng)的存在，不但白白損耗了電能，嚴(yán)重時還會影響設(shè)備正常運(yùn)行.

其實，魔球之所以能夠轉(zhuǎn)起來還是以電磁理論為基礎(chǔ)的，而電磁理論的發(fā)現(xiàn)與完善則經(jīng)歷了一個相當(dāng)漫長而繁復(fù)的過程.早在2 000多年前的春秋時期，我們的祖先就發(fā)現(xiàn)了磁現(xiàn)象，但在歷史上相當(dāng)長一段時間里，人們一直沒把電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象聯(lián)系起來，認(rèn)為電是電，磁是磁，二者是互不相關(guān)的兩回事.直到19世紀(jì)，丹麥的物理學(xué)家奧斯特偶然發(fā)現(xiàn)了電流的周圍存在著磁場，在世界上第一個發(fā)現(xiàn)了電與磁之間的聯(lián)系．隨后，英國的物理學(xué)家法拉第經(jīng)過艱苦的探索發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，進(jìn)一步揭示了電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系：變化的電場可以產(chǎn)生磁場，變化的磁場可以產(chǎn)生電場．這一劃時代的偉大發(fā)現(xiàn)，使人類掌握了電磁運(yùn)動相互轉(zhuǎn)變以及機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)化的方法，成為現(xiàn)代發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器技術(shù)的基礎(chǔ).

魔球這件展品的運(yùn)動共經(jīng)歷了電→磁→電→磁→機(jī)械能的轉(zhuǎn)化過程，它主要使觀眾對感應(yīng)電動機(jī)的工作原理和電磁感應(yīng)現(xiàn)象加深認(rèn)識.

責(zé)任編輯 蔡華杰