科學遊戲-- 磁鐵動力車

文與圖/許良榮 |2014.03.19
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圖一 圖/許良榮
圖二 圖/許良榮
原理圖 圖/許良榮

這次要教大家製作的科學玩具,是一種用磁鐵當車輪的動力車,本遊戲是一種「線性單極馬達 ( linear homopolar motor ) 」,亦即將「轉動」運動變換為「直線」運動。

所需器材:粗鐵絲、強力磁鐵、鋁箔紙、乾電池、連接線。

過程現象:

一、首先製作「車輪」。取一粗鐵絲(可剪一小段晒衣架)長約三到六公分,並以鐵鎚敲打使鐵絲平整,避免彎曲。鐵絲的兩端要以剉刀磨平,不能歪斜。

二、將二個圓形強力磁鐵吸引在鐵絲二端(不必使用黏膠),成為車輪(如圖一)。建議使用直徑約一公分、厚度約零點五公分的強力磁鐵。注意:二個強力磁鐵的方向為同極相對,亦即靠近時會互相排斥。

三、接著製作「軌道」(如圖二)。取一表面平滑的板子(壓克力板或美耐板),將二片鋁箔紙(長度不限,寬度不超過板子即可)以膠水黏貼在板子上,並間隔約二到三公分寬,黏貼時務必壓平,避免有任何凹凸不平。注意:二片鋁箔紙的一端都要超出板子至少二公分,以便接上電池。

四、完成後,將圖一的「車輪」放在軌道上,二個車輪(強力磁鐵)分別接觸一個鋁箔紙軌道。然後接上電池,車輪就會快速的起跑啦!如果車輪往回跑,只要將電池的正負極對調即可(將車輪二個強力磁鐵反過來也可以,但是比較麻煩)。

原理:

磁鐵動力車的原理與「單極馬達」類似,車輪的運動方向與電流、磁鐵的方向都有關。以原理圖的擺放位置為例,根據右手開掌定則(*註),右手的拇指為電流方向(黑色箭頭),此方向為電池的電流流經鋁箔紙的方向;其他四指為強力磁鐵的磁場方向(綠色箭頭),因此,代表運動方向的掌心方向(紅色箭頭)朝上,所以車輪會(強力磁鐵)朝上滾動,而往前運動了。

延伸討論:

一、為什麼車輪上的強力磁鐵不能異極相向,必須同極相向?

二、磁鐵的大小和電池的多寡,對於車輪的運動速度有什麼影響?

三、軌道一定要平的嗎?可以設計環形或圓形軌道嗎?軌道的材質是否只限於鋁箔紙呢?

*註:右手開掌定則,可求出電流與磁場生成出力的方向。將右手手掌打開,大拇指指向為電流方向,其餘四指為磁場方向,而手心所向,即為受力運動方向。

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