黄金展位

从电动机的转动说起

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李兰坤

(贵州省湄潭县黄家坝街道牛场学校)

  摘 要:电动机的应用非常广泛,其原理又比较简单。简而言之,就是电与磁的转换。本文简要介绍了电动机原理的作用,以便学生可以更好地学习电动机。

  关键词:电动机;原理;电磁;转动

  电动机为什么会转动?我们用轨道、金属杆、导线、开关组成一个闭合回路,把磁体两极放在金属杆上,金属杆就会在轨道上运动。磁场对通电导体具有力的作用,力的大小与电流大小有关。我们根据这个原理,发明了电动机和动圈式扬声器。这个原理还有什么用处呢?下面,笔者具体地探讨了一番。

  第一,电磁炮。电磁炮的原理非常简单。19世纪,英国科学家法拉第发现,位于磁场中的导线在通电时会受到一个力的推动。如果让导线在磁场中做切割磁力线的运动,导线上也会产生电流。这就是著名的法拉第电磁感应定律。

  正是根据这一定律,人们发明了如今广泛应用的发电机和电动机。它也是运用了电磁炮的基本原理,或者说,电磁炮不过是一种比较特殊的电动机,因为它的转子不旋转,而是做直线加速运动的炮弹。

  那么,如何产生驱动炮弹的磁场,并让电流经过炮弹,使它获得前进的动力呢?一个最简单的电磁炮设计如下:用两根导体制成轨道,中间放置炮弹,使电流可以通过三者建立回路。把这个装置放在磁场中,并给炮弹通电,炮弹就会加速向前飞出。1980年,美国西屋公司为“星球大战”建造的实验电磁炮基本上就是这样的结构。目前,电磁炮还在进一步研究中,笔者相信不久后,电磁炮将会运用在我们的军舰和战车上,服务于我国的现代国防,服务于现代战争。

  第二,电磁弹射器。电磁弹射器有多复杂呢?它的原理是通电导体在磁场中受到力的作用,有点类似于电磁炮。从最简化的角度来说,它就是炮弹换成了带动飞机加速的滑块。现在,笔者描述一下最简化的电磁弹射器模型:两个导轨上架着一个导体滑块,外加一个垂直于导轨的电磁场,通电后滑块就会在洛伦磁力的作用下加速。具体适用公式为F=BIL,F是力,B是磁场的大小,I是电流的大小,L是滑块在有磁场的导轨上的位移大小。另外,人们可以通过减小电流的大小,来改变力的大小,就连无人机也能发射,这是蒸汽弹射器不能替代的。

  电磁炮和电磁弹射器推进了武器现代化的进程,除了能加强我们的国防之外,它们还有什么用途呢?发射火箭。据《国防科技工业》介绍,我国将在2020年完成地面大型电磁弹射的系统演示、系统建设和原理验证试验,整套系统的最终目标是从地面发射火箭,携带卫星等载荷进入太空轨道。据此,我们可以提出几个问题,如电磁弹射火箭上天在原理和工程技术上是否可行?将来电磁弹射火箭能否取代今天化学能火箭的主流地位?

  电磁弹射飞机不仅应用在航母上,其原理还将在未来运用到民用商业飞机的起降上。因为电磁弹射的原理是相通的,从直径几毫米的小球到几百吨的大型火箭,都可以采用电磁弹射原理进行加速。所以在原理上,运用电磁弹射对火箭进行加速,可以让它获得一个非常大的向上飞行速度。

  但是,基于实现的工程技术,我们只有在限定任务、用途和环境的情况下,才能做出电磁弹射火箭。以目前的技術来说,载人航天使用电磁弹射是不可行的,因为人的身体结构很脆弱,经受不住过于急剧的加速。和化学能火箭有巨大的高度进行持续和缓的加速不同,电磁火箭是在有限长度的轨道上完成特别大的末端速度,这个加速度远超人类生理的极限承受能力,这也是制约电磁加速进行载人航天发射的最大问题。

  因此,在电磁发射火箭的时候,如果是发射不带人的任务载荷,通过加大火箭和卫星的结构强度,耐加速冲击的能力只需要达到接近迫击炮弹发射的水平,就能在5公里轨道内完成从静止到第一宇宙速度的加速。当然,在电磁火箭发射的前期,可以不用、也不会做到这一地步。在前进的道路上,我们会遇到很多工程问题,只有不懈努力,就能克服一个个难题。

  通电导体在磁场中受力,是一个简单的问题,我们拓展到了电磁炮、电磁弹射器、火箭的发射。笔者相信,相信在未来的生活实践、现代战争中,这一原理有更广泛的运用空间。

来源:《知识窗·教师版》2017年4期