國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

科學遊戲實驗室   回首頁   

磁鐵動力車

磁鐵當車輪的動力科學玩具

器材:粗鐵絲、強力磁鐵、鋁箔紙、乾電池、連接線

操作過程與現象:

  本網站曾介紹過不同形式的「單極馬達」,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。製作過程如下。

1.首先製作「車輪」;取一粗鐵絲(可用曬衣架剪一小段)長約3~6公分,並以鐵鎚敲打使鐵絲平整,避免彎曲。而鐵絲的兩端以剉刀磨平,不能歪斜,。

2.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)。強力磁鐵的大小,建議使用直徑約1公分,厚度約0.5公分。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。

3.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),將二片長的鋁箔紙(長度不限,寬度不超過板子即可)以膠水黏貼在板子上,並間格約2~3公分寬。注意:(1)二片鋁箔紙都要超出板子至少2公分,以便接上電池。(2)黏貼鋁箔紙時,務必壓平,避免有任何凹凸不平。

4.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!注意:如果車輪往回跑,將電池的+-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)。

觀賞實驗影片(1.54M)

原理:

  磁鐵車輪會運動的原理與「單極馬達(homopolar motors)」相同,車輪的運動方向與電流、磁鐵的方向都有關。以右圖的擺放位置為例,利用右手開掌定則,右手的拇指為電流方向(黑色箭頭,朝下),此方向為電池的電流由強力磁鐵流到鋁箔紙的方向;其他四指為強力磁鐵的磁場方向(綠色箭頭,朝右)。因此代表運動方向的掌心方向(紅色箭頭,朝向讀者),使得車輪(強力磁鐵)滾動(紅色虛線),而使磁鐵動力車往前運動了。

叮嚀的話:

1.完成車輪時,務必先試著滾動車輪,觀察滾動情形是否順暢平穩?如果不平穩,可能原因為:(1)當為車軸的鐵絲不平整或歪斜,可再用鐵鎚反覆敲平。(2)鐵絲二端的位置沒有放在強力磁鐵的中心點。(3)鐵絲兩端端點沒有磨平。

2.由於鋁箔紙很薄,伸出板子當為連接線的鋁箔紙很容易斷掉,所以接上電線時要很小心,避免扯斷。

3.在教學上,建議可以指導學生進行以下活動:(1)確定完成後,仔細觀察車輪的前進過程,是否有加速的現象?為什麼?(2)討論為什麼車輪上的強力磁鐵,不能異極相向,必須同極相向?(3)比較不同的磁鐵大小,以及電池的多寡,對於車輪的運動速度之影響如何?(4)可以設計出環形或圓形軌道嗎?軌道的材質是否只限於鋁箔紙?

參考資料:

1.Science Toyshttp://sci-toys.com/scitoys/scitoys/electro/railgun/railgun.html

2.Grand Illusionhttp://www.grand-illusions.com/articles/homopolar_roller/Stewart-homopolar-roller.pdf