手摇地磁场发电机的制作

钟俊敏

摘  要：利用地磁场，设计线圈，制作一个发电机供课堂教学使用。文章介绍地磁场发电机的设计与制作过程。

关键词：地磁场;发电机;设计与制作

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）12-0049-2

众所周知，让线圈在磁场中转动，能产生电流。发电机原理如图1所示。而地球周围存在着磁场，利用地磁场也可以发电，这将大大增加学生的兴趣，是开展科技活动的好材料。若能将地磁场发电用于室内的课堂教学，将大大提高课堂教学的效果。可惜多数学生都没有见过利用地磁場发电的过程，心里还是半信半疑（图2）。在课外实践活动中，我们做成了发电机，发出了电。大家非常高兴，甚至有点激动。如何做成可在室内演示的教学仪器呢？本文介绍了设计过程和制作方法。

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图1  发电机原理

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图2  地磁场发电示意图

1    查找资料，计算数据

地磁场的强度是设计发电机的关键。从课本上查得：地磁场的强度为10-4～10-5 T。考虑到我国地处北半球，我们的纬度约为30°～45°，地磁场方向为向北偏下，故取B=10-5 T。

初步方案是：用一个多匝线圈绕其中心轴旋转（交流发电机），去推动一个灵敏电流计（负载），如图3所示。

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图3  实验方案示意图

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因教具要有较大的可见度和较好的可操作性，故取a=70 cm，b=80 cm。又因惯性对机械电表指针偏转的影响，为了便于观察，取n=1 r/s。考虑自制教具制作成本要低、线圈电阻要小、重量不能太重等原因，线圈直径取D=0.61 mm。多匝线圈若用铝导线做会很粗，决定用铜漆包线绕制。查得铜的电阻率为ρ=1.7×10-8 Ω·m，灵敏电流计内阻为r=100 Ω，满偏电流为I=300 μA。为使电流表接近满偏，由上式计算得到N=260匝。

2    寻找材料，进行加工

0.61 mm的漆包线绕260匝，是一个很粗且很重的线圈。为了有固定的形状又易于旋转，决定将线圈绕在一个由塑料制成的槽内。两端在绕线圈之前装上转轴（固定在方框上，兼做电刷用）。为了操作方便，方框必须有支架支持。考虑到轻便、稳固、经济的要求，最终选用塑钢门框材料热焊成支架。

3    动手组装，突破难点

手工制作电刷是个难题。若不用电刷，线圈旋转时，两根引线会绕在转轴上。受交流发电机用滑环导出电流的启发，我们在线圈两端的转轴上各套一个不锈钢环（防盗窗材管上截取两段2 cm长的即可），有效地突破了制作的难点。这样线圈两端分别焊接在两段转轴上，两个钢环上分别焊接两根导线，连在电流表的两个接线柱上（如图4）。

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图4  地磁场发电机

当线圈的转轴垂直于磁场时，线圈产生的电动势最大，回路中电流最强。为了便于对准地磁场的南北极，在支架上安装了一个指南针。实际演示时，对准南北极，控制在1 r/s左右的转速，效果最好，电流计能达到满偏。

（栏目编辑    王柏庐）