創新科學教育項目：電磁小車的制作和動力模型分析

摘 要 電磁感應的實踐應用一直是我們探索的重點，同時也是中學物理的重要內容，以電池和小磁鐵為原料制作的小車，不僅能順利前行，而且形狀多變，極富趣味性。那么對其動力產生的原因進行深入探究，不僅是實驗的需求，更是科技館科學教育項目的需求。

關鍵詞 電磁動力 電磁感應 等效環形電流

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A

以銅線圈、電池、小磁鐵為材料制作的電磁動力“小車”經試驗探究，小車可以在線圈中順利前進。首先，將銅線纏繞成緊密且同大小的線圈，將同極的小磁鐵（同為N或者同為S）分別貼在電池的正負極上（如圖1），將這個 “小車”放入銅線圈中，會發現“小車”竟然沿著線圈運動起來，最終從線圈中穿出。那是什么力量推動著這列“小車”前進呢？

小磁鐵是這個實驗的關鍵點，它們既產生了磁場，又充當了導體的作用，使銅線圈和電池的正負極接通，即使銅線圈內產生電流， 此時通電的銅線圈根據電磁感應定律和右手法則，產生磁場，磁場方向如圖2所示。

通過對實驗的觀察和分析，下面對電磁小車動力的來源進行兩種模型分析，不當之處歡迎批評指正。

1小磁鐵等效環形電流模型

我們知道磁場中的電子，其實在做規律的環形運動，形成環形電流，并最終形成方向一致的對外顯現出磁鐵的磁性。那么如果把磁鐵當成一個整體來看，那么磁鐵可以等效成為一個通電的螺線圈，正極所接磁鐵的環形電流模型如圖3所示，負極所接磁鐵的環形電流方向相反。

電池正負極所連接的小磁鐵都模擬成環形電流后，在銅線圈的磁場中，電流產生安培力作用，那么安培力的大小則根據左手定律，將磁感線垂直穿過手掌，四指指向電流方向，大拇指所指方向就是安培力的方向，如圖4。正極的F1和負極的F2，合力方向均向左，最終推動“小車”前進。

2通電線圈等效條形磁鐵模型

根據文章前面所述，銅線圈中產生了電流和感應磁場。磁場方向根據右手法則判斷方向向右。這種情況下，通電銅線圈等效為條形磁鐵，左（正極）為S極，右（負極）為N極。如圖5。

正極處，感應磁場的S極與小磁鐵的N極相互吸引，給小磁鐵一個向左的力量；負極處，感應磁場的N極與小磁鐵的N極相互排斥，給小磁鐵一個向左的力量，兩個力量均向左，所以“小車”向左運動。

由于S極小磁鐵距離銅線圈感應磁場兩極較遠，產生的排斥和吸引力被N極產生的吸引和排斥力抵消，不作考慮。

3結束語

利用身邊簡單的工具和材料，設計簡單又富有趣味的小實驗，能極大提升青少年對科學的感知和興趣，在科普活動中，經常采用此類方法，激發觀眾的好奇心和探究欲。輔導員在進行科學教育工作時，要對現象背后的原理進行深入探究，不斷試驗改進，讓觀眾以興趣為出發點，以應用為落腳點，才能達到科普教育項目的真正目的。

作者簡介：馬曉燕，女，漢，出生年月：1990年5月，籍貫：河南長葛，學歷：本科，職稱：助理館員，工作單位：許昌市科學技術館，研究方向：公眾科學教育。

參考文獻

[1] 閆峰.磁動力小車的驅動原理[J].中學物理教學參考，2015（13）.