单极转轮驱动与脉冲发电演示仪

钱广昊，李英姿，单冠乔，李 进，周晓平

(北京航空航天大学，北京 100191)

目前，物理演示实验通常独立演示电生磁和磁生电这两个物理过程，不利于学生理解这两者之间的关系［1］。本文提出一种新型单极转轮驱动与脉冲发电演示仪，可以同时演示这两个过程，揭示了二者之间的联系，旨在加深学生对这两个物理过程的认识和理解，提高学生的综合分析能力［2］。

1 装置简介和工作原理

单极转轮驱动与脉冲发电演示仪主要包括带磁铁的转轮、双回路电磁线圈、驱动及储能电路三部分，整体装置如图1所示。

图1 整体装置

其中电路部分参考了John Bedini的电路设计［3］，带磁铁的转轮固定在线圈的上方，线圈接入驱动和发电电路中。其中带磁铁的转轮由自行车轮毂和固定在轮毂上的12个磁铁制作而成，如图2所示;双回路电磁线圈由铁芯和两股缠绕在铁芯上面的100匝线圈制作而成，两路电磁线圈分别作为感应线圈和触发线圈［4］，如图3所示。

图2 带磁铁的转轮

图3 双回路电磁线圈

工作时(图4)，首先给转轮施加一个作用力，转轮会在惯性作用下转动，磁铁靠近电磁线圈，在感应线圈中产生一个感应电流，感应电流流过1N4001二极管、电位器1和电位器2;当磁铁位于铁芯正上方时，感应电流消失;当磁铁通过铁芯时，产生一个反方向的感应电流，感应电流从三极管基极流入，从发射极流出，三极管因此而导通［5］，供电电池的电流从正极流入触发线圈然后回到电池负极，此电流在触发线圈中产生了磁力，与磁铁相互作用，推动磁铁带着转轮转动［6］;当磁铁离开触发线圈，感应线圈中不再产生电流，于是三极管闭合，感应线圈的磁场消失同时在触发线圈中产生一个高电位，该高电位作用在充电电池的回路中，给电池充电。随着下一个磁铁的到来，上述步骤重复进行。转轮的转动速度会逐渐趋于稳定，并且该装置可实现正反两个方向驱动转轮。该装置的工作原理如图4所示。

图4 实验装置工作原理示意图

图5 示波器测量的发电电流波形

在该装置的整个工作过程中，首先感应线圈为三极管提供偏置电压使其导通，此时供电电池为触发线圈提供电压并产生电流，该电流在触发线圈周围产生磁场，与转轮上的磁铁相互作用，驱动转轮转动;其次，当转轮上的磁铁离开的时候，感应线圈中电流消失，切断触发线圈与供电电池形成的回路，使得触发线圈中的电流急剧减小，此时会在触发线圈中产生一个高电位给电池充电［7］。为了观察发电电流的类型，将驱动及发电电路的发电端接入示波器中，测量得到的结果如图5所示。可以看出，在磁铁通过线圈的过程中，触发线圈中用于发电的电流为脉冲电流。

2 能量的利用效率

本实验采用直流稳压电源作为实验装置的供电电池，通过对比实验装置在接入充电电池和未接入充电电池两种状态下直流稳压电源输出的电压电流来研究实验装置发电的能量来源和能量利用率。通过对比两次实验的结果发现，实验装置在接入充电电池和未接入充电电池两种状态下，直流稳压电源输出的电压和电流相等，均为10 V和0．46 A，说明直流稳压电源在这两种状态下输出的电能相同。并且在这两种状态下，转轮的转速相同，说明转轮转动所消耗的能量在这两种状态下相等。当实验装置接入充电电池时，实验装置的发电回路处于导通状态，实验装置可以产生电能;当实验装置未接入充电电池时，实验装置的发电回路处于断开状态，实验装置不可以产生电能。这就证明了实验装置在产生与未产生电能两种状态下，供电电池输出的电能相同，也就是实验装置发电的电能并非由供电电池提供，而是来自于磁铁通过线圈切割磁感线所产生的能量。

为了对比两种情况下能量的利用效率，取两个放空的铅酸蓄电池1号和2号，用直流稳压电源通过实验装置对1号电池充电，直至1号电池达到12V，记录充电时间t1和转轮速度v。把1号电池作为实验装置的供电电池，2号电池作为实验装置的充电电池，使实验装置运行，待转轮转速无法保持v时，停止实验装置的运行并记录实验装置运行的时间;随后将两个电池对调，2号电池作为供电电池，1号作为充电电池，使实验装置运行，待转轮转速无法保持v时，记录实验装置运行的时间;重复上述实验步骤，直至两个电池剩余电量均无法使转轮转速保持速度v。计算实验装置运行的总时间t2。随机选用了三组实验数据，表1和表2分别给出了三次实验的实验装置运行时间和充电时间。

表1 实验运行数据

表2 实验运行数据汇总

对实验所得数据进行分析:

第一组:(t1+t2)/t1≈1．91，

第二组:(t1+t2)/t1≈1．96，

第三组:(t1+t2)/t1≈1．95，

可以得出，在没有利用实验装置发电的功能时，实验装置在直流稳压电源作用下的运行时间大约为5小时，当利用实验装置的发电功能进行充放电循环时，实验装置总运行时间大约为10小时，说明实验装置总运行时间是装置在直流稳压电源作用下运行时间的近2倍，由此可见，该实验装置可提高能量的利用效率。

3 结 论

单极转轮驱动与脉冲发电演示仪利用磁铁与通电线圈的相互作用力驱动转轮，转轮转动的同时在线圈中产生脉冲感应电流进行发电。通过进一步研究，证实该实验装置的发电能量来源为转动磁铁通过线圈时切割磁感线做功所产生的能量，并且采用这种结构的实验装置可以提高能量的利用效率。同时，该实验装置的两个工作过程(转轮驱动和脉冲发电)的物理意义明确，将其应用于物理演示实验教学，可以加深学生对电磁间相互转换关系的认识和理解［8］。

［1］ 霍剑青．大学物理实验课程教学基本要求的指导思想和内容解读［J］．物理与工程，2007，17(1):5-9．

［2］ 陈莉．大学物理演示实验的教学探索［J］．上海工程技术大学教育研究，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］ 赵军．电磁装置优化设计的应用研究［D］．华中科技大学，2009:46-57．

［5］ 华成英，童诗白．模拟电子技术基础［M］．北京:高等教育出版社，2006:32-64．

［6］ 王原昕，林建．永磁动力探讨［J］．水力采煤与管道运输，2004(1):41-43．

［7］ 钟锡华，陈熙谋．大学物理通用教程-电磁学［M］．北京:北京大学出版社，2007:37-42．

［8］ 尹晓燕．物理演示实验的基本方法及在实验设计中的应用研究［D］．山东:山东师范大学，2011:32-39．