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世上構造最簡單的電車

生活科學趣談

這幾天FB上有多位朋友分享這則視頻↓

World’s Simplest Electric Train 【世界一簡単な構造の電車

或許有些人剛開始會困惑於是甚麼原因讓磁鐵能自動的在螺線管中前進,直到了解到這個螺線管並非是由漆包線所纏繞而成。因為這個電車玩具必須使用裸銅線(Bare Copper Wire)才行,這種材料無法在電子材料行購得,電子材料行通常都只賣銅線外圍塗有絕緣漆的漆包線(Enameled Magnet Wire),這個實驗所需的裸銅線可能必須到電纜公司才買得到。另外,影片中也必須使用能導電的釹鐵硼強力磁鐵(因為表面有使用鎳鋅進行電鍍),而不能使用黑色那種無法導電的氧化鐵磁鐵。在電池前後方的釹鐵硼磁鐵除了產生磁場之外,同時也當作電極。驅動這輛電車的作用力則是電流先經由電池正極前端的磁鐵與裸銅線接觸而流入螺線管中,然後再藉由電池負極的磁鐵流回電池內部而形成迴路。當電流流經螺線管時,會在螺管內部建立一個均勻平行磁場,如果將電池前後二端釹鐵硼磁鐵的極性做適當的配置,那麼磁鐵就會被推動而射出螺線管外。若將螺線管兩端開口接合,磁鐵就能持續在其中滑動了。

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以上圖為例,裸銅線中的電流在螺線管中產生的磁場方向向左,這樣的磁場對於右方釹鐵硼磁鐵所產生的效應,可視為在其右方放置一塊N極朝左的場磁鐵(如此則其所建立的磁場方向才是向左);同理,螺縣管中的磁場對於左方釹鐵硼磁鐵所產生的效應,可視為在其左方放置一塊S極朝右的場磁鐵(如此則其所建立的磁場方向才是向左)。因此右方的釹鐵硼磁鐵受到向左的斥力,而左方的釹鐵硼磁鐵則受到向左的吸力。這樣電池就會如同早期的阿里山火車一樣,在列車前後各有一節火車頭,一前一後,一拉一推,將電池往左方推進。這樣的合力剛開始會形成電池與釹鐵硼磁鐵的加速,但隨著速率增快所產生的動摩擦力也會變大,當此二力平衡時,電車即以終端速率等速前進,直到射出螺線管為止。

同場加映:單極馬達

電動機II

電動機I

其中的物理原理周祥順教授在下列視頻中解釋的非常清楚

單極馬達