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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。
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图6.4 快速旋转的铜导线
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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。
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图6.5 有刷直流电机示意图
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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。
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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。
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图6.6 自制直流有刷电机
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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。
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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！
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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。
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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。
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图6.7 无刷电机的组成部分
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首先我用乐高的齿轮和插销做了一个小陀螺，读者也可以用现成的玩具小陀螺。然后我在陀螺转轴上用胶带粘上两块方形的钕铁硼小磁铁，它们的南北极相对。这就构成了无刷电机的转子。要使得转子旋转，就需要一个外加的推动磁场，这个磁场的南北极来回变换，就可以驱动带有磁铁的转子跟随磁场的频率转动。这个交变磁场由一个自己绕制的电磁铁产生（见图6.7中右）。如果给它通过交变的电流则可以产生交变的磁场，要做到这一点可以用简单的芯片来完成，也可以用单片机来做。现在市面上非常流行的一种单片机开发板叫作Arduino，它就相当于一个小小的电脑，可以根据输入的程序来产生不同的输出，它的编程非常简单，价格也不贵，所以本书中将会很多次用到它。关于它的使用方法，读者可以上网搜索一下，即使毫无编程和单片机使用经验的朋友，半天之内也能学会。对于初学者，本章探索与发现一节附上了下面要使用到的程序，以便参考。（你可能注意到了图6.7中还有一个易拉罐的底，它是干什么用的呢？且看后文分解。）
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你可能会问，我们可不可以通过编程让Arduino的两个输出端口交替输出5V和0V，这样就可以在线圈中产生交变的磁场了呢？遗憾的是还没有这么简单。单片机是个精贵的电子芯片，它的作用类似于大脑，比如大脑可以想着要把这块石头举起来，但是真正要举，还得靠大脑指挥力量组织比如手臂去做功。我们要使电磁铁产生磁场，需要输出比较大的功率（数瓦的量级）；而单片机的端口的输出电流最大也只有二三十毫安，5V×20mA=0.1W，远远供不应求。这个时候，我们就需要用单片机来指挥一个“力量组织”完成这个事情。我选择一个非常方便好用的集成电路——L298N直流电机驱动板，大家可以在网上很方便地买到，也不贵。它的作用就像手臂一样，接受来自“大脑”单片机的指令，并对外输出较大的功率。关于L298N驱动板的使用，本文“探索与发现”一节中将有介绍。它的核心是一个所谓H桥电路的芯片，这个H桥电路是一个可以驱动直流电机正反向转动的经典电路，其原理如图6.8所示。
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图6.8 H桥电路示意图
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图6.8就像一个字母H，所以它被叫作H桥电路。图6.8中，如果开关1和开关4闭合，另外两个开关打开，则电机左边连接到电池正电压端，右边连接到电池负电压端。相反，如果开关2和开关3闭合，另外两个开关打开，则电机左边连接到电池的负电压端，右边连接到电池正电压端。这些开关是可以由Arduino的3个控制信号的不同组合来实现的（详情请参考“探索与发现”小节）。这样我们就方便地用一个直流电压源产生了交流的效果。
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有了Arduino，L298N驱动板，加上一个直流可调电源，我们可以把产生交变磁场的装置示意图画出来（见图6.9）。写好程序，通上电，把陀螺攥在手中靠近电磁铁，如果能够感受到震动，那就表明磁场的确在来回变化。那么要产生什么样频率的交变磁场呢？这倒没有很明确的限制。我的实践表明大约30Hz的交变磁场是可以工作的，读者也可以尝试其他的频率。在实验过程中，首先通电，然后手动旋转陀螺，使得它在电磁铁附近旋转，一般手动旋转的频率都远远高于30Hz。渐渐地陀螺转速衰减，当它和磁场变化的频率一致时，它就被“锁频”了，并保持这个频率稳定地一直转下去。
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