電磁小火車運動原理分析

代　戰　戴　瑞　隋玲玉

(東北師范大學物理學院，吉林 長春　130024)

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大學生園地

電磁小火車運動原理分析

代戰戴瑞隋玲玉

(東北師范大學物理學院，吉林 長春130024)

電磁小火車題目來自2016年IYPT中的一道題目，介紹了一個兩端扣有紐扣磁鐵的干電池可以在螺繞環中運動，吸引了很多中學生的注意，學生對此很感興趣，迫切想要了解其中的物理知識.這個現象與高中所學的電磁學知識緊密相關,而且電磁學知識是高考中很重要的知識.本文介紹了電磁小火車的制作方法，并運用高中知識解釋了小火車的運動原理，有助于學生理解電與磁之間的相互作用，加深對高中電磁學知識的理解，以期提高學生運用物理知識解決實際問題的能力.

電磁；螺繞環；磁場

1　電磁小火車的構造

制造材料：一節干電池(5號)、4個紐扣磁鐵(兩個直徑15mm和兩個直徑10mm)、銅線若干(直徑1mm，全裸).

制作方法：將一個直徑15mm的紐扣磁鐵和一個直徑10mm的紐扣磁鐵按圖1所示分別扣在干電池的兩端，注意紐扣磁鐵朝向電池的極性要

相同，這樣制成小火車.銅線繞成的螺繞環是小火車的軌道(螺繞環是直螺繞環，也可以彎曲)，制作時可以將銅線繞在一個圓柱形棒上，注意直螺繞環的直徑要大于磁鐵的直徑，銅線要按一定的方向纏繞，纏繞一定的長度即可，我們會發現由于銅線的韌性，每匝之間會有一個小縫隙，使得每兩匝之間沒有直接接觸，這也為形成電磁鐵提供了條件.制作完成如圖1所示：

圖1　小火車成品圖

2　電磁小火車的運動原理分析

下文以紐扣磁鐵的N極指向電池制成的小火車和直螺繞環為例來分析原理.從右側看去直螺繞環中銅線按順時針方向繞制，其他情況分析方式相同.本文將小火車進入直螺繞環分為3個階段來分析.

2.1小火車剛要進入直螺繞環階段

小火車剛進入直螺繞環時是電池正極端的紐扣磁鐵S極進入，由圖2可知：磁鐵進入時，直螺繞環的磁通量增加，由楞次定律，螺繞環會產生反方向的磁通量，即磁鐵會受到一定的阻力，但是由于手給予的推力，小火車可以順利地進入直螺繞環.這里需要說明的是：由于直螺繞環是由銅線環繞而成，每一匝之間都有縫隙，所以在很大程度上減小了感應電流的產生，以至于阻礙的作用沒有磁鐵在銅管中那么明顯，筆者在操作時也發現，剛要進入時楞次定律的阻礙效應幾乎感受不到.

圖2　小火車進入時分析圖

2.2小火車進入直螺繞環階段

當小火車進入直螺繞環后，由于電池的正負極都與紐扣磁鐵相連，而磁鐵又具有導電性，所以電池和磁鐵與直螺繞環接觸的部位就形成了通路，電流的方向從正視圖看是向上的，如圖3所示，這也是小火車獲得動力的本質原因，解釋這個力有兩種方法，筆者分別加以闡述.

圖3　小火車進入后分析圖

圖4　受力原理分析圖

第一種解釋：以一匝螺線圈為例介紹，由于通電線圈處于紐扣磁鐵的N極磁場中，將N極產生出的磁感線分為平行于螺繞環中心軸和垂直于螺繞環中心軸的兩個方向，對產生水平方向力有作用的是垂直于螺線圈中心軸方向的磁感線；如圖4所示，利用左手定則，四指指向電流的方向，電流方向沿螺線圈向上，磁感線穿過手心，可知螺線圈受到的力的方向向右，利用牛頓第三定律可知：小火車受到的力向左，力的大小為所有通電線圈所受力的合力，所以小火車會向左運動.有時在向里推的時候會受到阻力，小火車好像在向外倒退，這是由于小火車在螺繞環中電磁鐵的磁極與磁鐵的磁極相互排斥，在我們設想的運動中充當的是阻力，以這個例子來說，就相當于我們把電池負極相連的紐扣磁鐵放入螺繞環時，它就會倒退.

第二種解釋：當小火車進入直螺繞環后，由于電池的正負極都與磁鐵相連，而磁鐵又具有導電性，所以電池和磁鐵與螺繞環接觸的部位就形成了通路，那么連通的那段螺繞環就形成了一個電磁鐵，根據安培定則，如圖5，可以判斷出通電螺繞環左端為N極，右端為S極，從圖中我們可以看出右端同名磁極相互排斥，左端異名磁極相互吸引，在磁極的相互作用下小火車向左運動.

圖5　磁極分析圖

2.3小火車離開直螺繞環階段

小火車離開螺繞環時，如圖6，只有電池負極的磁鐵在螺繞環中，磁鐵通過螺繞環的磁通量減少，由楞次定律知，螺繞環會產生反方向的磁通量，即磁鐵會受到一定的阻力，但是由于慣性，小火車可以順利地離開螺繞環.這里同樣發現楞次

圖6　小火車出來時分析圖

定律的阻礙作用微乎其微，基本感受不到.

3　結語

筆者通過本文分析電磁小火車運動的原理，

目的在于希望中學生在學習了物理知識后，可以理論聯系實際，運用物理知識解釋生活中的一些現象，同時也希望中學生可以運用自身所學的物理知識制作一些作品，例如本文中的電磁小火車.這樣不僅可以鍛煉動手能力，同時也可以把相關的知識理解得更為透徹，在一定程度上激發學生學習物理知識的積極性.

[1]劉傳先，夏義琴.論電磁相互作用力的產生[J].阜陽師范學院學報(自然科學版),1993,20(2):8-9.

[2]趙凱華，陳熙謀.電磁學[M].北京:高等教育出版社，2011：251-254.

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ANALYSISONTHEPRINCIPLEOFELECTROMAGNETICSMALLTRAIN

DaiZhanDaiRuiSuiLingyu

(PhysicsSchool,NortheastNormalUniversity,Changchun,Jilin130024)

Theissueoftheelectromagneticsmalltraincamefromaquestionin2016IYPT,whichintroducedaphenomenonthatadrycellwiththebuttonmagnetattwoendscouldmoveinthetoroid.Thisphenomenonattractedtheattentionsofmanymiddleschoolstudents,whohadgreatinterestonthisproblemandurgentlywantedtounderstandtheinsidephysicalknowledge.Indeed,thisphenomenoniscloselyrelatedtotheknowledgeofelectromagnetismstudiedinseniorhighschool,andtheelectromagneticknowledgeisaveryimportantpartofknowledgeincollegeentranceexamination.Thispaperintroducesthemakingmethodoftheelectromagnetictrainandexplainstheprincipleofthemotionofthetrainbyusingtheknowledgelearnedinseniorhighschool.Ithelpsstudentsunderstandtheinteractionbetweenelectricityandmagnetism,anddeepentheirunderstandingoftheelectromagnetismknowledgelearnedinhighschool,inordertoimprovestudents’abilitytosolvepracticalproblemswiththeirphysicalknowledge.

electromagnetism;toroid;magneticfield

2015-12-18;

2016-02-02

東北師范大學物理學院實驗儀器研發項目(No.20150107).

戴瑞，女，副教授，主要從事光學的科研與教學研究.dair986@nenu.edu.cn

引文格式: 代戰,戴瑞,隋玲玉. 電磁小火車運動原理分析[J]. 物理與工程，2016，26(3)：71-72，77.