從電動機的轉動說起

李蘭坤

摘要：電動機的應用非常廣泛，其原理又比較簡單。簡而言之，就是電與磁的轉換。本文簡要介紹了電動機原理的作用，以便學生可以更好地學習電動機。

關鍵詞：電動機 原理 電磁 轉動

電動機為什么會轉動？我們用軌道、金屬桿、導線、開關組成一個閉合回路，把磁體兩極放在金屬桿上，金屬桿就會在軌道上運動。磁場對通電導體具有力的作用，力的大小與電流大小有關。我們根據這個原理，發明了電動機和動圈式揚聲器。這個原理還有什么用處呢？下面，筆者具體地探討了一番。

第一，電磁炮。電磁炮的原理非常簡單。19世紀，英國科學家法拉第發現，位于磁場中的導線在通電時會受到一個力的推動。如果讓導線在磁場中做切割磁力線的運動，導線上也會產生電流。這就是著名的法拉第電磁感應定律。

正是根據這一定律，人們發明了如今廣泛應用的發電機和電動機。它也是運用了電磁炮的基本原理，或者說，電磁炮不過是一種比較特殊的電動機，因為它的轉子不旋轉，而是做直線加速運動的炮彈。

那么，如何產生驅動炮彈的磁場，并讓電流經過炮彈，使它獲得前進的動力呢？一個最簡單的電磁炮設計如下：用兩根導體制成軌道，中間放置炮彈，使電流可以通過三者建立回路。把這個裝置放在磁場中，并給炮彈通電，炮彈就會加速向前飛出。1980年，美國西屋公司為“星球大戰”建造的實驗電磁炮基本上就是這樣的結構。目前，電磁炮還在進一步研究中，筆者相信不久后，電磁炮將會運用在我們的軍艦和戰車上，服務于我國的現代國防，服務于現代戰爭。

第二，電磁彈射器。電磁彈射器有多復雜呢？它的原理是通電導體在磁場中受到力的作用，有點類似于電磁炮。從最簡化的角度來說，它就是炮彈換成了帶動飛機加速的滑塊。現在，筆者描述一下最簡化的電磁彈射器模型：兩個導軌上架著一個導體滑塊，外加一個垂直于導軌的電磁場，通電后滑塊就會在洛倫磁力的作用下加速。具體適用公式為F=BIL，F是力，B是磁場的大小，I是電流的大小，L是滑塊在有磁場的導軌上的位移大小。另外，人們可以通過減小電流的大小，來改變力的大小，就連無人機也能發射，這是蒸汽彈射器不能替代的。

電磁炮和電磁彈射器推進了武器現代化的進程，除了能加強我們的國防之外，它們還有什么用途呢？發射火箭。據《國防科技工業》介紹，我國將在2020年完成地面大型電磁彈射的系統演示、系統建設和原理驗證試驗，整套系統的最終目標是從地面發射火箭，攜帶衛星等載荷進入太空軌道。據此，我們可以提出幾個問題，如電磁彈射火箭上天在原理和工程技術上是否可行？將來電磁彈射火箭能否取代今天化學能火箭的主流地位？

電磁彈射飛機不僅應用在航母上，其原理還將在未來運用到民用商業飛機的起降上。因為電磁彈射的原理是相通的，從直徑幾毫米的小球到幾百噸的大型火箭，都可以采用電磁彈射原理進行加速。所以在原理上，運用電磁彈射對火箭進行加速，可以讓它獲得一個非常大的向上飛行速度。

但是，基于實現的工程技術，我們只有在限定任務、用途和環境的情況下，才能做出電磁彈射火箭。以目前的技術來說，載人航天使用電磁彈射是不可行的，因為人的身體結構很脆弱，經受不住過于急劇的加速。和化學能火箭有巨大的高度進行持續和緩的加速不同，電磁火箭是在有限長度的軌道上完成特別大的末端速度，這個加速度遠超人類生理的極限承受能力，這也是制約電磁加速進行載人航天發射的最大問題。

因此，在電磁發射火箭的時候，如果是發射不帶人的任務載荷，通過加大火箭和衛星的結構強度，耐加速沖擊的能力只需要達到接近迫擊炮彈發射的水平，就能在 5公里軌道內完成從靜止到第一宇宙速度的加速。當然，在電磁火箭發射的前期，可以不用、也不會做到這一地步。在前進的道路上，我們會遇到很多工程問題，只有不懈努力，就能克服一個個難題。

通電導體在磁場中受力，是一個簡單的問題，我們拓展到了電磁炮、電磁彈射器、火箭的發射。筆者相信，相信在未來的生活實踐、現代戰爭中，這一原理有更廣泛的運用空間。