單極轉(zhuǎn)輪驅(qū)動與脈沖發(fā)電演示儀

錢廣昊，李英姿，單冠喬，李 進(jìn)，周曉平

(北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

目前，物理演示實(shí)驗(yàn)通常獨(dú)立演示電生磁和磁生電這兩個物理過程，不利于學(xué)生理解這兩者之間的關(guān)系［1］。本文提出一種新型單極轉(zhuǎn)輪驅(qū)動與脈沖發(fā)電演示儀，可以同時演示這兩個過程，揭示了二者之間的聯(lián)系，旨在加深學(xué)生對這兩個物理過程的認(rèn)識和理解，提高學(xué)生的綜合分析能力［2］。

1 裝置簡介和工作原理

單極轉(zhuǎn)輪驅(qū)動與脈沖發(fā)電演示儀主要包括帶磁鐵的轉(zhuǎn)輪、雙回路電磁線圈、驅(qū)動及儲能電路三部分，整體裝置如圖1所示。

圖1 整體裝置

其中電路部分參考了John Bedini的電路設(shè)計(jì)［3］，帶磁鐵的轉(zhuǎn)輪固定在線圈的上方，線圈接入驅(qū)動和發(fā)電電路中。其中帶磁鐵的轉(zhuǎn)輪由自行車輪轂和固定在輪轂上的12個磁鐵制作而成，如圖2所示;雙回路電磁線圈由鐵芯和兩股纏繞在鐵芯上面的100匝線圈制作而成，兩路電磁線圈分別作為感應(yīng)線圈和觸發(fā)線圈［4］，如圖3所示。

圖2 帶磁鐵的轉(zhuǎn)輪

圖3 雙回路電磁線圈

工作時(圖4)，首先給轉(zhuǎn)輪施加一個作用力，轉(zhuǎn)輪會在慣性作用下轉(zhuǎn)動，磁鐵靠近電磁線圈，在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生一個感應(yīng)電流，感應(yīng)電流流過1N4001二極管、電位器1和電位器2;當(dāng)磁鐵位于鐵芯正上方時，感應(yīng)電流消失;當(dāng)磁鐵通過鐵芯時，產(chǎn)生一個反方向的感應(yīng)電流，感應(yīng)電流從三極管基極流入，從發(fā)射極流出，三極管因此而導(dǎo)通［5］，供電電池的電流從正極流入觸發(fā)線圈然后回到電池負(fù)極，此電流在觸發(fā)線圈中產(chǎn)生了磁力，與磁鐵相互作用，推動磁鐵帶著轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動［6］;當(dāng)磁鐵離開觸發(fā)線圈，感應(yīng)線圈中不再產(chǎn)生電流，于是三極管閉合，感應(yīng)線圈的磁場消失同時在觸發(fā)線圈中產(chǎn)生一個高電位，該高電位作用在充電電池的回路中，給電池充電。隨著下一個磁鐵的到來，上述步驟重復(fù)進(jìn)行。轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動速度會逐漸趨于穩(wěn)定，并且該裝置可實(shí)現(xiàn)正反兩個方向驅(qū)動轉(zhuǎn)輪。該裝置的工作原理如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置工作原理示意圖

圖5 示波器測量的發(fā)電電流波形

在該裝置的整個工作過程中，首先感應(yīng)線圈為三極管提供偏置電壓使其導(dǎo)通，此時供電電池為觸發(fā)線圈提供電壓并產(chǎn)生電流，該電流在觸發(fā)線圈周圍產(chǎn)生磁場，與轉(zhuǎn)輪上的磁鐵相互作用，驅(qū)動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動;其次，當(dāng)轉(zhuǎn)輪上的磁鐵離開的時候，感應(yīng)線圈中電流消失，切斷觸發(fā)線圈與供電電池形成的回路，使得觸發(fā)線圈中的電流急劇減小，此時會在觸發(fā)線圈中產(chǎn)生一個高電位給電池充電［7］。為了觀察發(fā)電電流的類型，將驅(qū)動及發(fā)電電路的發(fā)電端接入示波器中，測量得到的結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯诖盆F通過線圈的過程中，觸發(fā)線圈中用于發(fā)電的電流為脈沖電流。

2 能量的利用效率

本實(shí)驗(yàn)采用直流穩(wěn)壓電源作為實(shí)驗(yàn)裝置的供電電池，通過對比實(shí)驗(yàn)裝置在接入充電電池和未接入充電電池兩種狀態(tài)下直流穩(wěn)壓電源輸出的電壓電流來研究實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)電的能量來源和能量利用率。通過對比兩次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)裝置在接入充電電池和未接入充電電池兩種狀態(tài)下，直流穩(wěn)壓電源輸出的電壓和電流相等，均為10 V和0．46 A，說明直流穩(wěn)壓電源在這兩種狀態(tài)下輸出的電能相同。并且在這兩種狀態(tài)下，轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速相同，說明轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動所消耗的能量在這兩種狀態(tài)下相等。當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置接入充電電池時，實(shí)驗(yàn)裝置的發(fā)電回路處于導(dǎo)通狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)裝置可以產(chǎn)生電能;當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置未接入充電電池時，實(shí)驗(yàn)裝置的發(fā)電回路處于斷開狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)裝置不可以產(chǎn)生電能。這就證明了實(shí)驗(yàn)裝置在產(chǎn)生與未產(chǎn)生電能兩種狀態(tài)下，供電電池輸出的電能相同，也就是實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)電的電能并非由供電電池提供，而是來自于磁鐵通過線圈切割磁感線所產(chǎn)生的能量。

為了對比兩種情況下能量的利用效率，取兩個放空的鉛酸蓄電池1號和2號，用直流穩(wěn)壓電源通過實(shí)驗(yàn)裝置對1號電池充電，直至1號電池達(dá)到12V，記錄充電時間t1和轉(zhuǎn)輪速度v。把1號電池作為實(shí)驗(yàn)裝置的供電電池，2號電池作為實(shí)驗(yàn)裝置的充電電池，使實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行，待轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速無法保持v時，停止實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行并記錄實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行的時間;隨后將兩個電池對調(diào)，2號電池作為供電電池，1號作為充電電池，使實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行，待轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速無法保持v時，記錄實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行的時間;重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，直至兩個電池剩余電量均無法使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速保持速度v。計(jì)算實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行的總時間t2。隨機(jī)選用了三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表1和表2分別給出了三次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行時間和充電時間。

表1 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)

表2 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)匯總

對實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析:

第一組:(t1+t2)/t1≈1．91，

第二組:(t1+t2)/t1≈1．96，

第三組:(t1+t2)/t1≈1．95，

可以得出，在沒有利用實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)電的功能時，實(shí)驗(yàn)裝置在直流穩(wěn)壓電源作用下的運(yùn)行時間大約為5小時，當(dāng)利用實(shí)驗(yàn)裝置的發(fā)電功能進(jìn)行充放電循環(huán)時，實(shí)驗(yàn)裝置總運(yùn)行時間大約為10小時，說明實(shí)驗(yàn)裝置總運(yùn)行時間是裝置在直流穩(wěn)壓電源作用下運(yùn)行時間的近2倍，由此可見，該實(shí)驗(yàn)裝置可提高能量的利用效率。

3 結(jié) 論

單極轉(zhuǎn)輪驅(qū)動與脈沖發(fā)電演示儀利用磁鐵與通電線圈的相互作用力驅(qū)動轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動的同時在線圈中產(chǎn)生脈沖感應(yīng)電流進(jìn)行發(fā)電。通過進(jìn)一步研究，證實(shí)該實(shí)驗(yàn)裝置的發(fā)電能量來源為轉(zhuǎn)動磁鐵通過線圈時切割磁感線做功所產(chǎn)生的能量，并且采用這種結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)裝置可以提高能量的利用效率。同時，該實(shí)驗(yàn)裝置的兩個工作過程(轉(zhuǎn)輪驅(qū)動和脈沖發(fā)電)的物理意義明確，將其應(yīng)用于物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以加深學(xué)生對電磁間相互轉(zhuǎn)換關(guān)系的認(rèn)識和理解［8］。

［1］ 霍劍青．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求的指導(dǎo)思想和內(nèi)容解讀［J］．物理與工程，2007，17(1):5-9．

［2］ 陳莉．大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)探索［J］．上海工程技術(shù)大學(xué)教育研究，2013，2(3):37-39．

［3］ Bedini J．Device and method for utilizing a monopole motor to create back EMF to charge batteries:US，6545444［P］．2003．

［4］ 趙軍．電磁裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究［D］．華中科技大學(xué)，2009:46-57．

［5］ 華成英，童詩白．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］．北京:高等教育出版社，2006:32-64．

［6］ 王原昕，林建．永磁動力探討［J］．水力采煤與管道運(yùn)輸，2004(1):41-43．

［7］ 鐘錫華，陳熙謀．大學(xué)物理通用教程-電磁學(xué)［M］．北京:北京大學(xué)出版社，2007:37-42．

［8］ 尹曉燕．物理演示實(shí)驗(yàn)的基本方法及在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［D］．山東:山東師范大學(xué)，2011:32-39．