1701076076
我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） [:1701074930]
1701076077
我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） 6 电机总动员
1701076078
1701076079
1701076080
1701076081
一分钟简介
1701076082
1701076083
本章将介绍和制作几种有趣的直流电动机。从人类历史上的第一台电动机起，到后来的有刷电机，再到无刷电机，通过亲手制作，了解人类的好帮手—电动机的基本原理，让第二次工业革命的浪潮‘涛声依旧’。
1701076084
1701076085
闲话基本原理
1701076086
1701076087
1821年的圣诞节，就像我们中国人的除夕夜一样，古老的伦敦市街道上空荡荡的，家家户户都在准备着一家团圆的“年夜饭”。新婚不久的法拉第先生家里只有他们小两口，所以也不需要法拉第夫人准备太多的菜肴。她正在厨房里忙活着的时候，法拉第急忙忙地冲了进来，拉住她的手说：“萨拉，快来看！”萨拉知道丈夫整天鼓捣一些导线、磁铁、化学试剂，常常会给她看一些有趣的东西，所以她很期待这个圣诞之夜，丈夫会带给她什么新的惊喜。萨拉跟随法拉第来到他的小工作室里，法拉第指着桌上的一个装置说：“你看！”萨拉定睛观瞧，只见一件如图6.1所示的装置。一个像天平一样的架子上挂着两根金属杆，它们分别伸到一个装满水银状液体的杯子里。杯子中还有两根黑色棒状物。奇特的是，右边的金属杆像着了魔一样地绕着黑色棒状物旋转，而左边的黑色棒状物则绕着金属杆旋转。“太神奇了！”萨拉感叹道，“这是什么东西？”法拉第说：“它叫Electromagnetic Rotation（电磁旋转装置）。”这便是人类历史上的第一台电动机[1]。
1701076088
1701076089
1701076090
1701076091
1701076092
图6.1 法拉第设计的电动机
1701076093
1701076094
图片取自英文维基百科“Michael Faraday”词条。
1701076095
1701076096
此图原始出现于法拉第1844年著作Experimental Researches in Electricity.2
1701076097
1701076098
法拉第先生（Michael Faraday，1791—1867）应该是我们所有业余科学家的英雄。他是“铁二代”，父亲是伦敦的一位铁匠。经济拮据的父母只供得起法拉第念了几年小学，之后便让他在伦敦的一家书店里当学徒。他几乎不懂数学，对高深的理论也不了解，但是他在业余时间非常勤奋地阅读书店里的科学典籍，并用形象类比的方式来理解需要复杂的公式才能严格描述的物理化学现象。他勤于动手实践自己的想法，不惧怕长达数年的失败。这些优秀的品质使他终于在业余科学家的道路上登峰造极，创造了绝大多数职业科学家都无法企及的成就。在爱因斯坦的书房墙上挂着3幅科学家的画像，分别是牛顿、法拉第和麦克斯韦。法拉第若泉下有知，也会为此感到欣慰的。
1701076099
1701076100
我们来看看法拉第的电动机究竟是怎么能够转起来的，这也将是理解其他电动机的起点。
1701076101
1701076102
图6.2展示了法拉第电动机的转动原理图。水银是一种非常好的导体，当悬挂的金属杆一端浸没在水银里时，电流会从电源正极出发，经过金属杆、水银，回到电源负极。而水银中的黑色棒状物是一块磁铁，它的磁极沿着竖直方向。图6.2用红色线条画出了几条具有代表性的磁力线（磁力线这个对磁场形象的描述就是源自法拉第），注意到这些磁力线都有与金属杆垂直的分量，即都有与杆中的电流垂直的分量。我们知道载流导线在磁场中会受到磁场的作用力，力的大小等于垂直于电流的磁场分量乘以电流强度，力的方向为垂直于电流和磁场所处的平面，服从左手定则。用向量的形式表达出来就是：
1701076103
1701076104
1701076105
1701076106
1701076107
图6.2 法拉第电动机转动原理示意图
1701076108
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