1701076109
所以，悬挂的金属杆在通过电流时，会受到来自磁铁磁场的作用力。在图6.2的情形中，金属杆受到的力是垂直于纸面向里的，这个力推动着金属杆开始了绕磁铁的圆周运动，这便是法拉第电动机的基本原理。当然，这个电动机所产生的功率非常低，不足以推动其他机械装置运动，到后来技术的蓬勃发展，才使得电动机成为了生产和生活的好帮手。
1701076110
1701076111
法拉第电动机原理很容易理解，结构也简单，我们可以很容易地自己做一个。但是法拉第所使用的水银可不是个容易得到的东西，而且，水银蒸汽如果通过呼吸进入人体，对神经系统有非常大的毒性。我记得我上初中的时候，老师还把一个装满水银的玻璃盒子（敞开的）带到课堂上，给大家演示大气压力。可见那个时候我们对于它的危害还不是太在意。不过如今人们对身体健康看得越来越重，连老式水银温度计都已经光荣下岗了，再弄一盆水银来做实验恐怕没人敢碰了。幸运的是，导电的液体并不只有水银，水也是导电的，虽然导电性远远比不上水银，但是我们可以在水中溶解食盐，增加溶液中带电离子的含量，这样盐水也就可以取代水银，重现法拉第电动机也就不难了。
1701076112
1701076113
动手实践
1701076114
1701076115
因所需材料简单，无需列表。大家来看一看做成以后的装置（见图6.3）就会明白了。
1701076116
1701076117
1701076118
1701076119
1701076120
图6.3 重现法拉第电动机
1701076121
1701076122
图6.3中银白色圆柱是前一章介绍过的高强度钕铁硼稀土磁铁，红色的容器是从一个塑料杯剪下来的杯底，容器里的盐水差不多和磁铁高度齐平，两根导线接到一个可调直流稳压电源的输出端。慢慢调高电压，我们会看到悬挂着的铜导线开始缓缓地绕着磁铁旋转。当电压足够大时，悬挂的铜导线快速旋转起来，见图6.4。
1701076123
1701076124
读者可能会有一个疑问，从开始我们的分析知道，磁场对悬挂导线的力是沿着磁铁切线方向的。那么，为什么在图6.4中铜导线会离开磁铁呢？如果大家做了这个装置就很容易理解这一点。因为切向的电磁力导致导线开始旋转，当转速加快时，离心力的作用使得铜导线“飞离”了磁铁，转速越快飞得越开。
1701076125
1701076126
在铜导线转动的同时，大家还会发现一个有趣的现象：那就是两根导线浸没在盐水里的部分都在“咕噜咕噜”冒泡，而且一会儿就会在水里看到绿色沉淀物。如果法拉第先生当时是用盐水而不是水银，那么他将在发明了人类第一台电动机的同时，第一次观察到了电解反应（实际上后来法拉第通过别的实验观察到了电解反应，并成了这个领域的开山鼻祖）。这个绿色沉淀我也不清楚具体是什么，有可能是氧化铜？我的化学学得不好，还望各位读者替我解答这个问题。
1701076127
1701076128
1701076129
1701076130
1701076131
图6.4 快速旋转的铜导线
1701076132
1701076133
法拉第的电动机被称作“单极电动机（Homopolar Motor）”，即转动部分（电机的“转子”）中的电流始终是朝一个方向的。毫无疑问，这种电机的观赏性大于实用性。要输出具有实用价值的力矩，我们需要更多的线圈在更强的磁场中运动，这便是后来的有刷电机，其基本结构见图6.5。
1701076134
1701076135
1701076136
1701076137
1701076138
图6.5 有刷直流电机示意图
1701076139
1701076140
图6.5左边展示了电动机的一个瞬时状态，此时电流在线圈里逆时针流动，线圈的上边受到指向纸外的磁场力，下边受到指向纸内的磁场力，这样线圈就会带动中心的转轴旋转起来。当然这会使得线圈与电源的接触断开，但是线圈和转轴依靠惯性继续转动，当转动180°以后（见图6.5右），线圈与电源重新接触，此时线圈里流动的电流相对线圈来说改变了方向，但是以局外人来看，仍然是线圈的上边受到指向纸外的磁场力，下边受到指向纸内的磁场力，也即磁场力矩还是推动着线圈继续运动。之所以叫做“有刷电机”是因为电源与线圈接触的部件被称作“电刷”，这两个电刷起着确保电机线圈所受的磁场力矩始终是朝同一个方向的作用。
1701076141
1701076142
我们常见的，比如玩具小车里的直流电机一般都是有刷电机，要自己做一个也很简单，如图6.6所示。转轴是一根小吸管（前一章中它还是磁力扭称的称杆子），用漆包线绕成一个周长10cm左右，大约10圈的长方形线圈（线圈的尺寸圈数要求不严格），把吸管插在线圈中间，然后放在一个电线做的“轴承架”上。磁场由一小块黑色磁铁提供。电刷就是两根从电源引过来的导线，我用的是0~15V可调压的稳压源，这样改变所加的电压还能改变电机的转速。电机的启动需要用手给线圈一个最初的转动，线圈转起来以后，就可以在电流和磁场的驱动下持续运动下去了（注意如果线圈不但不转反而很快停了下来那表明手动转错了方向）。我曾经看过麻省理工学院物理系的电磁学课有一节的作业就是制作一个这样的电机。作业交上去以后教授会一个一个通电，看谁做的电机转动得最快，最快电机的制作者将会在课堂上获得教授的奖励，这是一件挺光荣的事情。相信读者通过调试电机的结构，减少摩擦，也能一次次提高它的速度。
1701076143
1701076144
1701076145
1701076146
1701076147
图6.6 自制直流有刷电机
1701076148
1701076149
即使是如此一个简陋的制作，我们也能看到一些有趣的现象。最引起我注意的是在电刷与线圈接触的时候会产生火花，即使我的电源电压只有两三伏。要知道火花的产生意味着那附近的空气被极高的电场强度给电离了，就像闪电一样。但是两三伏的电压是如何产生那么高的电场强度的呢？这是一个值得我们考虑的问题。实际上这并不是因为我们的装置简陋，电刷周围产生火花是任何有刷电机都会遇到的一个大问题。这些火花损坏电刷和线圈的接触，是导致有刷电机故障的一个主要原因，而且如果电机附近有易燃的润滑油之类的东西，这些火花还有可能导致火灾。
1701076150
1701076151
你看，这么一个简单的制作，还能体现如此重大的问题；这比跟着老教授大声朗读教科书上的话“有刷直流电机容易产生火花”要来的深刻得多吧！
1701076152
1701076153
由于有刷电机的这个火花问题，加之电刷与线圈接触点经常处于高速摩擦，很容易损耗（如果大家拆开一个旧的玩具小电机，就会发现里面的铜电刷磨损的比较厉害），后来人们制造出了无刷电机。无刷电机的构造形式有多种，但是一般来说转子是由永久磁铁构成，这样就不需要给一个转动的线圈供电，电刷问题也就不存在了。而驱动永久磁铁转动的是一组电磁铁（通电线圈），电磁铁中的电流方向和大小由外加电路进行控制，这样就能在恰当的时候给转子以推动力。显而易见这种电机的控制电路就比有刷电机要复杂。有刷电机接上一节干电池就能转，而无刷电机还需要相对复杂的程序控制。
1701076154
1701076155
我们自己也可以用简单的材料做一个非主流的无刷电机，见图6.7。
1701076156
1701076157
1701076158