手搖地磁場發(fā)電機(jī)的制作

鐘俊敏

摘? 要：利用地磁場，設(shè)計(jì)線圈，制作一個(gè)發(fā)電機(jī)供課堂教學(xué)使用。文章介紹地磁場發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與制作過程。

關(guān)鍵詞：地磁場;發(fā)電機(jī);設(shè)計(jì)與制作

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）12-0049-2

眾所周知，讓線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)，能產(chǎn)生電流。發(fā)電機(jī)原理如圖1所示。而地球周圍存在著磁場，利用地磁場也可以發(fā)電，這將大大增加學(xué)生的興趣，是開展科技活動(dòng)的好材料。若能將地磁場發(fā)電用于室內(nèi)的課堂教學(xué)，將大大提高課堂教學(xué)的效果?？上Ф鄶?shù)學(xué)生都沒有見過利用地磁場發(fā)電的過程，心里還是半信半疑（圖2）。在課外實(shí)踐活動(dòng)中，我們做成了發(fā)電機(jī)，發(fā)出了電。大家非常高興，甚至有點(diǎn)激動(dòng)。如何做成可在室內(nèi)演示的教學(xué)儀器呢？本文介紹了設(shè)計(jì)過程和制作方法。

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圖1? 發(fā)電機(jī)原理

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圖2? 地磁場發(fā)電示意圖

1? ? 查找資料，計(jì)算數(shù)據(jù)

地磁場的強(qiáng)度是設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵。從課本上查得：地磁場的強(qiáng)度為10-4～10-5 T?？紤]到我國地處北半球，我們的緯度約為30°～45°，地磁場方向?yàn)橄虮逼?，故取B=10-5 T。

初步方案是：用一個(gè)多匝線圈繞其中心軸旋轉(zhuǎn)（交流發(fā)電機(jī)），去推動(dòng)一個(gè)靈敏電流計(jì)（負(fù)載），如圖3所示。

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圖3? 實(shí)驗(yàn)方案示意圖

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因教具要有較大的可見度和較好的可操作性，故取a=70 cm，b=80 cm。又因慣性對機(jī)械電表指針偏轉(zhuǎn)的影響，為了便于觀察，取n=1 r/s。考慮自制教具制作成本要低、線圈電阻要小、重量不能太重等原因，線圈直徑取D=0.61 mm。多匝線圈若用鋁導(dǎo)線做會(huì)很粗，決定用銅漆包線繞制。查得銅的電阻率為ρ=1.7×10-8 Ω·m，靈敏電流計(jì)內(nèi)阻為r=100 Ω，滿偏電流為I=300 μA。為使電流表接近滿偏，由上式計(jì)算得到N=260匝。

2? ? 尋找材料，進(jìn)行加工

0.61 mm的漆包線繞260匝，是一個(gè)很粗且很重的線圈。為了有固定的形狀又易于旋轉(zhuǎn)，決定將線圈繞在一個(gè)由塑料制成的槽內(nèi)。兩端在繞線圈之前裝上轉(zhuǎn)軸（固定在方框上，兼做電刷用）。為了操作方便，方框必須有支架支持。考慮到輕便、穩(wěn)固、經(jīng)濟(jì)的要求，最終選用塑鋼門框材料熱焊成支架。

3? ? 動(dòng)手組裝，突破難點(diǎn)

手工制作電刷是個(gè)難題。若不用電刷，線圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩根引線會(huì)繞在轉(zhuǎn)軸上。受交流發(fā)電機(jī)用滑環(huán)導(dǎo)出電流的啟發(fā)，我們在線圈兩端的轉(zhuǎn)軸上各套一個(gè)不銹鋼環(huán)（防盜窗材管上截取兩段2 cm長的即可），有效地突破了制作的難點(diǎn)。這樣線圈兩端分別焊接在兩段轉(zhuǎn)軸上，兩個(gè)鋼環(huán)上分別焊接兩根導(dǎo)線，連在電流表的兩個(gè)接線柱上（如圖4）。

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圖4? 地磁場發(fā)電機(jī)

當(dāng)線圈的轉(zhuǎn)軸垂直于磁場時(shí)，線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢最大，回路中電流最強(qiáng)。為了便于對準(zhǔn)地磁場的南北極，在支架上安裝了一個(gè)指南針。實(shí)際演示時(shí)，對準(zhǔn)南北極，控制在1 r/s左右的轉(zhuǎn)速，效果最好，電流計(jì)能達(dá)到滿偏。

（欄目編輯? ? 王柏廬）