國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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簡易電聯車

號稱全世界最簡單的電聯車!
器材:強力磁鐵、乾電池、銅線

操作過程與現象

最近在YouTube有一部影片被網友廣為分享「World's Simplest Electric Train」(全世界最簡單的電車;見參考資料1),只用強力磁鐵、乾電池、銅線就可以製作出會跑的電聯車。

版主經過實驗,製作方法如下:

1.銅線線圈:到五金行購買直徑1毫米的銅線,再將銅線纏繞為一長條狀的銅線圈(如圖一)。纏繞銅線線圈時,建議在長條的硬質管子上纏繞,以避免扭曲或不平整。注意:銅線纏繞後的中空的口徑大小,要比強力磁鐵的直徑略大。

2.電聯車(電池與強力磁鐵):取圓形的強力磁鐵四顆(註:厚度較大則二顆即可),分別吸附在4號(AAA)乾電池的兩端,如圖二。注意:兩端的強力磁鐵的磁極方向必須同極相對(N極對N極),亦即互相靠近會排斥。

3.將電聯車(電池與強力磁鐵)放進銅線線圈,結果就會如同火車過山洞,電聯車迅速的穿越銅線圈(如圖三、圖四),而且強力磁鐵使用越多顆,速度會越快喔!

4.電聯車的運動方向和電池正負極、強力磁鐵以及銅線圈的纏繞方向都有關係。如果電聯車放進銅線圈時,電聯車被推出銅線圈,則將整組電聯車換個方向即可;或者(1)將電池的正負極對調;(2)將兩端的磁鐵對調,成為N-S與S-N。

觀賞實驗影片(13.4M) 

除了使用銅線,也可以使用鋁線製作線圈(如右圖),雖然電聯車的行進速度會比較慢(鋁的導電性比銅略差),但是也可以成功喔!使用鋁線的優點是價錢比銅線便宜,一般五金行也有賣比較長的鋁線。不過缺點是由於顏色為銀色,而且圈數必須更密,因此比較不易清楚看到線圈內部的電聯車,降低了趣味性。

觀賞實驗影片(4.4M ) 

玩更大

以上的電聯車只跑了很短的直線距離,如果將銅線線圈製作為較大的圓形,則電聯車就可以一直繞圈圈的運動喔!

製作時較困難的是取得較長的銅線,因為一般五金行販售的直徑1毫米的銅線,長度並不長(通常不到2公尺),纏繞為線圈後,總長度不到20公分,因此必須將數段的銅線線圈銜接起來。如圖五,不同段的線圈以膠帶銜接固定,同時要注意:各段線圈必須互相接觸,以使電流流通,否則電聯車就無法運動了。

另一方面,由於一般3號(AA)或4號(AAA)的乾電池長度較長,很容易在彎曲的線圈中卡住,因此必須使用較短的「5號(N)乾電池」(如圖六),此種電池的電壓也是1.5伏特,比4號電池短了至少1.4公分,但是售價並不便宜,一顆約四十元。

 

原理:

電聯車會運動的主要原因是:磁力的作用。以圖七為例,乾電池的電流由強力磁鐵導引到銅線線圈而構成通路,電流流通(藍色朝上箭頭)產生感應磁場(綠色箭頭)。而感應磁場的磁極方向與電池前端的強力磁鐵(圖左側)同為N極,因此強力磁鐵被排斥而往左邊運動。反之,感應磁場與電池後端強力磁鐵(圖右側)為S-N極,磁鐵被吸引,也是往左邊運動,因此電聯車就往左邊運動了。

上述感應磁場的方向(綠色箭頭),可用「安培右手定則」判斷,並可推知運動過程中,強力磁鐵必須與銅線圈持續保持接觸,以免電流斷路而無法產生感應磁場。另一方面,電池兩端吸附的強力磁鐵越多,會增加磁場之間的作用力,使得電聯車的運動速度也隨之增加。另一方面,常使用於遙控器的12伏特乾電池,雖然長度也較短,但是可能由於電流量(安培數)較小,並無法使電聯車運動。

 

叮嚀的話:

1.購買強力磁鐵時,務必選購直徑略大於乾電池的直徑,才能確保強力磁鐵可以和銅線線圈保持接觸,電流通路才不會斷掉。不同型號電池的直徑,實測結果如下:3號(AA)14毫米;4號(AAA)10毫米;5號(N)11毫米。

2.使用的銅線如果太細,纏繞完成的銅線線圈會太軟,容易變形扭曲,使得電聯車的運動不順暢。但是銅線越粗,售價越貴,建議以直徑1毫米的銅線製作即可。

3.無論逆時針、順時針,銅線圈只要保持同一方向纏繞即可。重要的是:電池兩端的強力磁鐵必須同極相對。

4.本實驗如果使用於教學,由於成本較高(強力磁鐵、銅線頗貴),例如圖三的組裝就超過二百元,因此建議以小組實驗方式進行,而圖五的實驗則以教師示範方式進行即可。

5.教學上可以指導學生實驗與討論以下問題:(1)為什麼乾電池兩端的強力磁鐵必須為同極相對?(2)其他條件一樣的情形,銅線以逆時針、順時針纏繞,有何差別?(3)電池兩端的強力磁鐵數量,是否會影響電聯車的行進速度?有何差別?

參考資料:

1.YouTube影片:https://www.youtube.com/watch?v=J9b0J29OzAU

2.大人物:http://www.damanwoo.com/node/85612