自制“电磁轨道炮”和“直流电动机”

王诗源　张春丽

摘 要：中学物理实验是培养学生科学观察、实验能力、科学思维、分析和解决问题能力的主要课程之一。电磁轨道炮和直流发动机是中学物理电磁学方面的重要学习样例。该研究首先从物理的角度介绍了电磁轨道炮和直流电动机的原理，然后提出如何根据电磁轨道炮和直流发动机的理论设计并实现电磁轨道炮和直流电动机，并根据真实实践情况提出电磁轨道炮和直流电动机的一些改进，使得设计的电磁轨道炮和直流电动机运行更加稳定。该研究重点介绍了电磁轨道炮和直流电动机的设计实践过程。

关键词：电磁轨道炮 直流电动机 中学物理 物理实验

中图分类号：TJ39 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（a）-0180-04

Abstract：Rail gun and DC motor are important samples of electromagnetism in high school physics experiments.This paperint roduces principles of rail gun and DC motor from the physical point of view.Then，the procedures of building a rail gun and a DC motor are described in detail.Some tips are given in this paper to make the rail gun and the DC motor more stable.

Key Words：Rail Gun；DC Motor；High School Physics；Physics Experiments

中学物理实验是培养学生科学观察、实验能力、科学思维、分析和解决问题能力的主要课程之一。在中学物理实验学习中，深切地感受到课堂实验实践的重要，但参加课外兴趣小组，锻炼动脑动手能力和亲自探索实验更为重要，因为这样做不仅可以增加感性认识，还可以培养学生的探索精神和创造性，激发对物理乃至其他自然学科的学习激情，进而实现学用相长。

电磁轨道发射是一种能将物体加速至超高速度的新型发射方式，它利用电磁力驱动有效载荷，能将电磁能转换成机械动能，可加速包括弹丸、炮弹、导弹、火箭、卫星、飞机等在内的多种物体[1]。直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机，具有良好的机械特性，能在大范围内平滑调速、起动、制动和正反转等，目前在传动领域仍占主要地位[2]。该研究就电磁轨道炮和直流电动机的实践作介绍。

1 电磁轨道炮

电磁轨道炮是一种利用电流磁场产生的作用力驱动炮弹加速运动的武器，由于它具有无声、无烟、可控等特点，所以电磁轨道炮己经引起许多军事科学家的关注和重视。在高中学习中经常遇到关于电磁轨道炮的题目。

就此思路，通过课外翻阅有关资料，经过多次试验，尝试制作了一个简单的电磁轨道炮实验，并发现问题改进设计，提高了电磁轨道炮的稳定性，现与喜爱物理实验和动手的各位同学分享。

1.1 电磁轨道炮原理

电磁轨道炮系统一般由发射电源、充电电源、电感器、弹丸、轨道、电枢、炮管等部分组成。其中，充电电源是向电磁轨道炮提供单次或多次发射时所需能量的储能装置；发射电源与电感器共同组成脉冲形成网络，从而向电磁轨道炮系统提供所需的工作电流，其能量来源为充电电源；轨道一般是由导电性能好而且抗磨损的金属构成，与电源和弹丸组成闭合回路；电枢的作用是传导电流并承受洛伦兹力，从而推动弹丸作加速运动。

电磁轨道炮系统的运行一般由三个过程构成：充电过程、发射过程和馈电过程。

（1）充电过程。由于电容器部分储能密度较低，所以每次发射后的残余能量较低，从而必须对电容器充电以进行下一次发射。一般来说，电容器采用恒流充电的方式，所以向电容器组充电前，需要将发电设备输出的电流进行整流，得到近化为常值的电流，最后再向电容器组输入得到的电流[3]。

（2）发射过程。电磁轨道炮一般由两根相当炮管长短的固定平行导轨和一个沿导轨轴线方向滑动的电枢组成，弹丸放置在导轨上使得导轨、弹丸和电源形成闭合回路。当发射弹丸时，电源向导轨系统供电，强大的电流流经两平行导轨，在电枢形成的磁场作用下，两导轨间产生的方向相反的线性磁场产生强大的电磁力。电磁力推动弹丸沿导轨加速运动，从而获得很高的初速度，弹丸沿导轨向外运动直到从炮口末端发射出去[4]。

设匀强磁场的磁感应强度为B，两导轨间的距离为L，磁场中导轨的长度为s，炮弹的质量为m，电流I，炮弹和导轨间摩擦不计，则通过能量守恒定律计算得出炮弹的初速度。

（3）馈电过程。由于在弹丸从电磁轨道炮系统发射出的瞬间，电磁轨道炮系统的轨道中的电流依然很大，这些能量以磁场能的形式储存在轨道和波形调整电感中。如果弹丸发射出去的时候轨道为断路状态，那么电流将会在瞬间发生极大的变化，从而在炮口形成高电压，极为可能将两条轨道间的空气击穿而破坏轨道。为了解决这一问题，通常将电容器组在弹丸发射出去的瞬间接入回路，从而将轨道中残余的能量回馈给电容器组，即对电容器组充电[5]。这就是馈电过程。馈电过程不仅通过稳定电流保护轨道，而且由于将轨道中残余的能量回馈给电容器组，对电容器组充电，也有效地减少了每次发射的能量的消耗，提高了能量利用率。

1.2 制作电磁轨道炮

（1）材料。绝缘木支架一个，两根长约20cm的硬直铜导轨，一根长约5cm的铜导体棒（代替炮弹），两只磁性较强的蹄形磁铁，单刀双掷开关一个，1.5v干电池4节，电解电容器2只，导线若干。

（2）制作过程。把绝缘支架水平放置在水平桌面上，把两根20cm长的硬直铜导轨平行固定在木板上，两导轨间距大约4-5cm，导轨垂直距离木板5cm。把蹄形磁铁两只并排放置在导轨中间，按照如图1，连接电路就制作完成了。

刚开始制作时，没有利用电解电容器，直接把电源连接在导轨两端，效果很不理想。为了增加瞬时电流强度，加入了两只电解电容器，效果非常好。

（3）使用方法。如图1所示，连接电路后，把铜导体棒水平放置在导轨上靠近导轨一端，把单刀双掷开关扳到1位置，给电容器充电，然后迅速把开关扳到2位置，导体棒迅速被弹射出去，做平抛运动；改变干电池的正负极，重复上述操作，导体棒会迅速被向相反的方向弹射出去。

（4）制作改进。如图2中所示，E取24V，C取4000微法，K为单刀双掷开关，C为容量较大的电解电容，L为自制电磁道炮的驱动线圈（多匝，直径0.5毫米的漆包线绕在外径6毫米的空心玻璃管上，绕大约50匝），其“炮弹”是放于上部线圈内的一根缝衣针，放置空心玻璃管内；实验时先将K扳向1，使C处于充电状态，然后将K扳向2，这时C进入放电状态，电容C内的电量在极短时间内通过L进行放电，形成瞬间强大放电流，从而产生一个瞬态较大的磁场力，使电磁轨道炮管内的缝衣针很快飞出。

2 直流电动机

电动机是电器中常用的电子产品，分为直流直流电动机和交流直流电动机，直流直流电动机的原理是安培力作用下导体的运动。下面该研究将介绍直流电动机的原理和制作过程。

2.1 直流电动机原理

直流电动机是一种将直流电能转换为机械能的机械，一般由定子和转子两部分组成。定子部分包括主磁极、机座、端盖、换向极、电刷装置等；转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等[6]。其中，主磁极由主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成，作用是建立主磁场；基座不仅是主磁路的一部分，还是电机的结构框架用于起支撑和防护的作用；换向极由铁心和绕组组成，用于改善换向；电刷装置由电刷、刷盒、刷杆和连线等组成，是电枢电路的引出和引入装置；换向器由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒片间用V形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而构成，有逆变的作用。

直流电动机的工作原理如图3和图4所示，每当线圈刚过平衡位置时，就改变一次电流方向，从而改变线圈的受力方向，使磁场中的通电线圈连续转动。如图3所示，在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S 极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。当电枢旋转到图4所示位置时，原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。

2.2 制作直流电动机

（1）材料。长约15cm带包皮的硬直铜（铝）导线，一节锂电池（2.8v左右），一枚圆形磁铁（大小与锂电池截面积相近）。

（2）制作过程。在硬直铜（铝）导线正中间用钳子除掉约2cm的包皮，铜（铝）导线两端用钳子除掉约1cm的包皮，然后把导线用钳子弯成如图5线框部分的形状。导线底部两端各弯成弧形，略大于锂电池直径大小；把锂电池外包皮去掉，裸漏出锂电池金属外表（表示电源的负极部分）；把磁铁放置在锂电池下方，线圈架在锂电池正极上。如图5所示。

（3）使用方法。手轻轻触碰线圈下端，让线圈下端裸露部分与锂电池负极相碰，线圈便自动转动起来；改变磁铁的N、S极，线圈转动方向相反。

3 结语

该研究首先介绍了电磁轨道炮和直流电动机的原理，然后提出如何根据电磁轨道炮和直流发动机的理论设计并实现电磁轨道炮和直流电动机，并根据实验情况提出电磁轨道炮和直流电动机实验的一些改进，使得设计的电磁轨道炮和直流电动机运行更加稳定。

电磁轨道炮和直流电动机的制作是运用高中物理基础知识，查阅相关文献，通过物理实验完成的。通过物理实验，提高了动手实践能力，做到学以致用。制作电磁轨道炮和直流电动机让研究者体会和领悟了课本及课本以外的物理学知识，感受了物理学的魅力，感受了物理实验的乐趣，启发了学用结合的真谛。

参考文献

[1] 李军，严萍，袁伟群.电磁轨道炮发射技术的发展与现状[J].高电压技术，2014，40（4）：1052-1064.

[2] 周金龙.直流电动机动态控制的研究[D].重庆：西南大学，2008.

[3] 丁卫东，王霞，邱毓昌.电容器恒流充电电源的通用谐振电路模型[J].高电压技术，2002，28（2）：25-26.

[4] 胡玉伟.电磁轨道炮系统的建模与仿真[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

[5] Spahn E， Buderer G， Gauthier-Blum C.Novel PFN with current turn-off capability for electric launchers[J].IEEE Transactions on Magnetics，2001，37（1）：398-402.

[6] 程守洙，江之永.普通物理学[M].北京：高等教育出版社，1998.