玩具电动机发电的实验设计

熊建新

1 设计背景

电动机和发电机在现代社会中应用非常广泛。电动机的种类很多，根据功能不同分为驱动电动机和控制电动机（如步进电机和伺服电机）；根据使用的电源不同分为直流电动机和交流电动机。交流电动机分为同步电动机和异步电动机（感应电动机）；异步电动机又有单相和三相之分。无论是火力发电、水力发电、风力发电还是核能发电等，都是通过发电机发电的。发电机分为直流发电机和交流发电机。

实际的电动机和发电机的结构复杂，中学阶段只要求掌握直流电动机、交流发电机的工作原理。为了便于说明，教材采用了简化的结构原理图进行展示，如图1、2所示。直流电动机的原理是通电线圈在磁场中受力转动，工作时把电能转化为机械能和内能。交流发电机的原理是电磁感应，工作时把机械能转化为电能。

直流电动机和交流发电机的原理不同，但它们在构造上有相同之处，都有磁体和线圈。不同之处是，直流电动机的线圈两端分别焊在两片半圆形金属环上，两半环中间断开，彼此绝缘，两半环随线圈一起转动，两固定不动的电刷（弹性金属片）分别压在两半环上，两电刷通过导线接电源构成一个闭合电路。实际上，两片半圆形金属环就是换向器。它的作用是，当线圈转过平衡位置（线圈平面与磁感线垂直的位置），两半环分别与另一电刷接触，线圈中电流的方向自动改变。换向器之名就是这样来的。根据左手定则，线圈受到的力矩保持不变，线圈就可以不停地向一个方向转动下去。交流发电机的线圈两端分别焊在圆形金属环上，圆形金属环随线圈一起转动，两固定不动的电刷（弹性金属片）分别压在两圆环上，两电刷通过导线接用电器（如小灯泡、发光二极管）构成一个闭合电路。

从原理上来说，把直流电动机电路中的电源换成用电器，让线圈转动，它就变成了发电机。玩具电动机（带座和风扇、23038）是直流电动机，经试验该电动机能在6 V电压下长时间稳定运转。笔者用玩具电动机设计了发电实验。通过该实验，学生加深了对直流电动机和交流发电机的构造、原理的认识，对不同形式能的转化有了直观、总体的认识，激发了学生学习、探究的兴趣。

2 实验器材

玩具电动机（带座和风扇）3个，演示电表，教学电源，电工胶布，剪刀，导线若干，发光二极管板，电子蜂鸣器，蹄形电磁铁，大头针等。

3 实验过程、现象、分析及结论

3.1 演示玩具电动机通电、风扇转动

实验中电能转化为机械能和内能。

3.2 演示玩具电动机发电使演示电表指针偏转

把玩具电动机接电源的两个接线柱用导线分别接到演示电表的“G”、“—”接线柱上，如图3所示。用手向一个方向（顺时针或逆时针）拨动风扇，演示电表的指针向某个方向（左或右）偏转，不停地拨动风扇，转子的转速越来越大，指针的偏转角度也越来越大。用手向另一个方向拨动风扇，指针的偏转方向变得与原来相反。实验现象表明，直流电动机的转子（线圈）向一个方向转动时，产生的是直流电（电流的方向不随时间变化），转速越大，产生的电压越高，电流越大。比较直流电动机和交流发电机的构造，可以发现，直流电动机发电时产生的是直流电跟换向器有关。根据楞次定律可以判断直流电动机发电时线圈中产生的感应电流的方向也会改变，但在电流方向改变时，两半环分别与另一电刷接触，这样流过用电器的电流方向不变，即外电路电流方向不变。

实验中机械能转化为电能。

3.3 演示玩具电动机发电使LED灯发光

拆下两个玩具电动机的风扇，把它们放在水平台上。调整电机在座上的位置，使两电机的轴基本正相对，轴端相距约5 mm。用剪刀剪下长、宽合适的电工胶布，用胶布把两轴包紧，包几层即可，这样两电机轴形成柔性连接，如图4所示。也可用自动铅笔上的细弹簧（内径比电机的轴径略大）套在两轴上，轴端相距约5 mm，然后用502胶粘结，如图5所示。

把甲电动机（与电源相连接）的两个电源接线柱用导线连接到教学电源的稳压输出“+”、“-”极上，把乙电动机（另一个）的两个电源接线柱用导线连接到发光二极管板（红、绿LED并联）上。

将教学电源拨到4.5 V或6 V档，接通开关。甲电动机的轴带动乙电动机的轴（转子）转动，红色LED灯发光。断开开关，将接发光二极管板的两导线换位，再接通开关，绿色LED灯发光，如图6、7所示。实验现象表明，直流电动机发电时产生的是直流电，二极管具有单向导电性。实验中注意不能随意调高教学电源的输出电压，否则可能烧坏或击穿发光二极管。

在这个实验中，体现了电能机械能电能光能的能量转换。

3.4 演示玩具电动机发电使电子蜂鸣器发声

如图8所示，实验结果表明，玩具电动机发电产生的直流电能使电子蜂鸣器发出清晰的声音。实验中最后电能转化为声能。

3.5 演示玩具电动机发电使蹄形电磁铁吸起大头针

如图9所示，实验结果表明，玩具电动机发电产生的直流电能使电磁铁显示磁性。实验中最后电能转化为磁能。