动力移动:操纵磁铁以改善发电机输出

2020年3月2日 作者 奇先生 0

难度 <! - 7 - >
所需时间 非常短(≤1天)
先决条件 你应该有耐心和灵巧,整齐地缠绕几层电线(或找一个可以帮助你的人)。您还需要连接一个基本电路。了解电路并不是这个科学项目的先决条件,尽管它可以更深入地了解发电机。
材料可用性 我们的合作伙伴可以提供包含该项目所需的所有专业项目的工具包家庭科学工具
费用 低($ 20 – $ 50)
安全 钕磁铁非常坚固。请遵循使用这些磁铁的程序中的安全准则。

摘要

用于为日常设备供电的电力由电气发生器生成。这些迷人而强大的机器依靠磁铁来发挥作用。虽然它们看起来非常复杂,但是一旦完成这个科学项目,你就会明白它们是如何,为什么以及何时发电的。您将构建自己的发电机,对磁铁的放置方式进行微小的更改,并在移动磁铁发电时进行测试。

目的

建造发电机并研究永磁体的配置如何影响产生的电量和电量.

积分

Sabine De Brabandere,博士,科学伙伴

引用本页

此处提供了一般引用信息。请务必检查所使用方法的格式,包括大小写,并根据需要更新引文。

MLA风格

科学伙伴。”动力移动:操纵磁铁以改善发电机输出。” 科学伙伴,2019年2月2日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Elec_p079/electricity-electronics/manipulating-magnets-to-improve-generator-output。2019年7月6日访问。

APA风格

科学伙伴。(2019年2月2日)。动力移动:操纵磁铁以改善发电机输出。从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Elec_p079/electricity-electronics/manipulating-magnets-to-improve-generator-output


最后编辑日期:2019-02-02

简介

您是否曾探索过电力与磁力之间的强大联系?也许你已经建立了一个像科学项目那样的电磁铁电磁铁的强度,或者您已经创建了一个电动马达构建一个简单的电动机!,或者你甚至可能你自己发电了人力能源。无论您是对这种关系进行过实验,阅读,还是只是好奇,这个科学项目都会让您亲自探索设计发电机时的重要事项。为了完全理解这个科学项目,在开始实践部分之前,您需要完成一些基础物理。

电磁学是研究磁力如何协同工作。电和磁的运动都来自于电子的运动,电子是带有电荷的微小粒子,它们在每个原子内部都会旋转。关于这些如何在导体中产生电流的解释可以在科学伙伴电力,磁力,&amp;电磁学教程:电流

电动发电机是一种产生电流的强大机器。大多数使用强磁铁电,磁,&amp;电磁学教程:磁学将向您介绍磁铁和磁场,它们由场线表示。仔细阅读;它将帮助您更好地理解这个科学项目。

本教程介绍了如何使用指南针检测磁场。它展示了如何使用铁屑使现场线可见,这是一个有趣的活动,你将在这个科学项目中做!请记住,强磁场意味着磁铁在磁性材料上具有强大的推力或拉力,并且由紧密聚集在一起的场线表示。在线间隔较远的地方,场是最弱的。

本教程的技术说明解释了铁磁材料如何被磁化,因为微小的磁畴的磁场在材料内部对齐,使其具有磁性。在考虑所有信息时,磁场线不会停留在北极或南极似乎是合乎逻辑的;它们继续在磁体或磁性材料内部形成闭环,如图1所示。注意,磁场线在磁体或铁磁材料内聚集在一起,表明强磁场。

条形磁铁内部和磁铁外部均显示磁场线。
图1。条形磁铁内部显示磁场线,以及磁铁外部。注意,磁体内部和外部的场线应该相等(此处显示13个)。磁铁内部只有七个(七个蓝色箭头)。

本教程还解释了电流(或移动的电荷)如何产生磁场并产生电磁铁。你能转过来吗?移动的磁铁能否以某种方式在导线的闭环中产生电流?迈克尔法拉第(1791-1867)和约瑟夫亨利(1797-1878)独立发现它是可能的。这种效应被称为电磁感应,这正是你将在这个科学项目中学习的内容。

请注意,如果在任何时候,生成此电流的方式,原因和时间的详细信息过于庞大,请考虑从科学项目开始发电机上的棚灯:做更多线圈产生更多电力?你仍然可以发电,你可以研究线圈数量的变化如何影响产生的电力。然后,只要您准备好,就可以回到这个科学项目。

现在,电磁感应如何工作?首先,重要的是要注意,当磁铁和闭合的导线相对于彼此移动时,仅产生电力。如果您将磁铁完全固定在导线旁边,则不会产生电流。这里有点棘手。一个相对于另一个的移动不够。运动需要创建穿过环路覆盖区域的场线数量的变化。图2说明了这个想法。在图2中,场线平行于环路覆盖的区域。将磁铁移近环路不会改变穿过环路覆盖区域的场线数量。该运动不会引起(或产生)电流。如果场线垂直于环路覆盖的区域,如图2.C所示,磁铁的移动将使穿过该区域的场线数量产生很大的变化并产生大量的电流。图2.B.图示了两者之间的情况,其中场线相对于环成一角度。移动磁铁会产生一些电流。

如果穿过该区域的磁力线的数量由一圈闭合的导线跨越如果改变,将在导线中感应出电流如果穿过该区域的磁力线的数量跨越导线的闭环如果改变,将在导线中感应出电流如果穿过该区域的磁力线的数量由一圈闭合的导线跨越如果改变,将在导线中感应出电流图2。如果穿过由导线的闭环跨越的区域的磁场线的数量改变,则将在导线中感应出电流。直橙色箭头表示磁铁的运动;弯曲的橙色箭头表示感应电流。

产生的电流量与通过环路的场线数量的变化率成比例,这意味着通过环路的场线数量随时间变化的速度有多快。您可以通过使用更强的磁体(具有更强的磁场,由更多的场线表示),或通过更快地移动磁体,或者(如图2中所解释的)通过改变场线的方向来增加这一点。循环。

到目前为止,您已经了解了导线环路中感应的电流。现在,让我们简要地看一下方向感应电流。反转磁铁(翻转北极和南极)将导致环路中感应的电流向另一个方向流动,如图3所示。另一种反转感应电流方向的方法是反转运动方向(朝向或远离导线环移动)。

将磁铁移向闭合的导线环会在导线中感应出电流
图3。将磁铁移向闭合的导线环将在导线中感应出电流。当您反转极点(如图所示)或反转磁铁移动方向时,电流将反向。注意,当磁体和环不相对于彼此移动时,在导线环中不会感应出电流。

如果你将交替的南极和北极带向一个导线圈或者将一个极移动到一个导线圈然后一个又一个地重复,那么电子会一直前后移动(或者电流保持反转方向) ,创造所谓的交流电(AC)。在开始之前,请阅读电力,磁力,&amp;电磁学教程:DC与AC 。然后,您将准备好了解循环或包裹的数量如何影响发电量,并点亮一些灯!

术语和概念

  • 电磁
  • 电力
  • 电子
  • 电流
  • 导体
  • 发电机
  • 永久磁铁
  • 磁场
  • Field lines
  • 电磁感应
  • 变化率
  • 交流电(AC)

问题

  • 什么是电流?
  • 交流电和直流电有什么区别?
  • 磁力线代表什么?有哪些方法可以在永磁体周围绘制磁场线?
  • 以下哪一项会在导线闭环中产生电流?
    • 移动一个放置磁铁和环路的工作台,使磁场线垂直于环路覆盖的区域。
    • 沿着磁场线将磁铁的磁极移向导线环,该导线与磁力线平行。
    • 将磁极穿过环路,使其出现在环路的另一侧。
  • 发电机的转子,定子,轴和电枢是什么?

参考书目

材料和设备  产品套件可用

这些特殊商品可以从我们的合作伙伴处购买家庭科学工具:

  • 电动发电机组件(1)。您需要使用套件中的这些物品:
    • 塑料管,1½英寸(4厘米)(1)
    • 磁铁线,涂有珐琅(1个线轴)
    • 纸箱,大约7-8英寸宽
    • 小纸夹(2)
    • 铁芯,柔软(2)
    • 砂纸,细砂砾
    • 木块,预先钻孔
    • 转子用红色塑料板(2)
    • 短螺钉(4)
    • Bolt,long(1)
    • 六角螺母(3)
    • 钕磁铁(6),直径1/4英寸(0.6厘米)
    • 指南针(2)
    • LED(发光二极管)(1)
    • 钉子(2)
    • 铁锉
    • 中等螺钉(2)
    • 注意:该套件还包含足够的部件,可以再进行两次电力项目.

您还需要收集这些项目:

  • 标尺或卷尺
  • 剪刀
  • 瓦楞纸板(2),14 x 2英寸(36 x 5厘米);波纹应平行于短边。
  • 磁带;遮蔽胶带,1英寸可从 Amazon.com
  • 磁带;电气胶带,1/2英寸,可从 Amazon.com
  • 螺丝刀,菲利普斯
  • 纸张(2)
  • 尖锐90度边缘的桌子;桌边不应超过1 1/2英寸(4厘米)厚。
  • 小型一次性杯子或带把手的小桶
  • 可选:单孔打孔器
  • 字符串(40英寸[1米]);塑料麻线也很好用。
  • 镍或四分之一(18)便士(36)
  • 实验室笔记本
  • 可选:相机

推荐项目用品

获得正确的耗材 – 经过选择和测试,以便与该项目合作

项目套件:37.50美元 View Kit

实验程序

关于钕磁铁的安全注意事项:

  • 小心处理磁铁。钕磁铁(在这个科学项目中使用)被强烈吸引并迅速拼合在一起。保持手指和身体其他部位清洁,避免受到严重挤压.
  • 使磁铁远离电子设备。钕磁铁的强磁场可以擦除信用卡,磁性磁性介质等磁性介质。卡片和录像带。它还可能损坏电视,录像机,电脑显示器和其他CRT显示器等电子设备.
  • 将磁铁远离幼儿和宠物。这些小磁铁会造成窒息危险,如果吞下可导致内部损坏.
  • 避免在心脏起搏器周围使用。钕磁铁的强磁场会扰乱心脏起搏器和类似医疗设备的操作。切勿在使用这些设备的人附近使用钕磁铁.
  • 轻轻地使用磁铁。钕磁铁比其他类型的磁铁更脆,可能会破裂或碎裂。不要试图加工(切割)它们。为减少碎裂的机会,请避免将它们撞在一起。如果您将它们高速咬合在一起,则应佩戴护目镜,因为可能会以高速发射小碎片。不要烧它们;燃烧会产生有毒烟雾.
  • 分离磁铁时请耐心等待。如果需要分离钕磁铁,通常可以通过将末端磁铁从堆叠中滑出来手动分开,一次一个。如果您不能以这种方式将它们分开,请尝试使用桌子或工作台面的边缘。将磁铁放在桌面上,其中一个磁铁悬挂在边缘上。然后,使用您的体重,将一叠磁铁放在桌子上,用手掌向下压在悬挂在边缘上的磁铁上。通过一些工作和练习,您应该能够将磁铁滑开。一旦你将它们分开,就要小心它们不会重新组合在一起,捏住你。
  • 佩戴护目镜。钕磁铁很脆,如果它们一起撞击可能会破裂或破碎,可能会高速发射磁铁碎片。

在这个电子科学项目中,你需要缠绕一个铁芯,它将有六层电线,每层有200-250层电线。这是很多缠绕!请耐心等待,花点时间,我们强烈建议您创建一个工具,以帮助您整齐地和有效地(稍后进一步说明)。将磁芯整齐地连接成线圈对于您的发电机运行良好至关重要。

构建线轴分配器

我们强烈建议 – 尽管并非必要 – 您首先要建造一个线轴分配器。如下一节所述,当您缠绕铁芯时,它会很有帮助。图4显示了用于分配磁线的自制工具的两个示例。您可以选择暂时使用套件中提供的一些材料(请参见左图)或使用家用材料制作简化版本,例如纸板盒,铅笔,遮蔽胶带和吸管(图中的数字)正确的)。

送丝机图片 图4. 由包装材料(左)或家用材料(右)中包含的材料制成的电线分配器图片。

该视频展示了缠绕线圈的另一种方法。务必在最慢的设置下使用钻头,请求帮助握住钻头,并集中精力将线圈小心地绕在另一个上。

如果您有一个可用的,您可以使用电钻加速线圈缠绕过程。你应该向成年人寻求帮助来完成这一步骤。

缠绕线圈

如果没有工具的帮助,很难整齐地缠绕铁芯。您可以将套件放入带有手摇曲柄的线圈绕线器中。这不仅可以帮助您整齐地卷绕电线,还可以大大提高您的效率。

在整个说明中,让图5成为您的指南。

这里描述的线圈绕线器有助于用铁丝整齐地缠绕铁芯
图5。这里描述的线圈绕线器有助于用铁丝整齐地缠绕铁芯。

  1. 将您的套件放入盒子(或大约7-8英寸宽的纸板箱)放在您面前,如图6所示。
  2. 在盒子的长侧面板的两个的中间戳孔,距盒子顶边约1/2英寸(1.3厘米).
盒子长边中间有一个洞的盒子
图6。在盒子长边中间有孔的盒子。你应该对长边都这样做。

  1. 取两片瓦楞纸板,长约14英寸(36厘米),宽约2英寸(5厘米)。波纹应平行于短边,因此板可沿此侧折叠.
  2. 在中间折叠,然后展开.
  3. 将每一半折叠成两半,但是与你第一次折叠的方向相反。当你完成后,你有四个相等的矩形,折叠形成一个带有襟翼的V形,如图7所示。
  4. 在中间折边缘下方约1/2英寸(1.3厘米)处戳一个洞。
瓦楞纸板折叠成V形,带有襟翼,有助于支撑工具轴以帮助电线核心
图7. 瓦楞纸板折叠成V形并带有襟翼将有助于支撑工具的轴,以帮助缠绕铁芯。

  1. 使用遮蔽胶带将V形的襟翼连接到盒子的两侧,使孔全部对齐,V形的底部指向外。遮蔽胶带(或包装胶带)在这里可以很好地工作。使用图5作为指南.V形有助于保持旋转轴稳定。
  2. 展开两个回形针以形成L形。这些将用于形成车轴和手动曲柄。
  3. 使用遮蔽磁带将其中一个L形回形针的长边连接到可弯曲的铁芯上,用胶带覆盖约1/8英寸(.6 cm)的铁芯,如如图8所示。将其固定好,使您的轴坚固。我们强烈建议您使用遮蔽胶带;其他磁带可能无法创建坚固的附件。
将可回转的铁芯展开成L形的回形针连接
图8。图片显示如何使用遮蔽胶带将可折叠铁芯展开成L形展开的L形状(图中为绿色)。

  1. 完成轴。
    1. 用铁皮夹住V形瓦楞纸板上的孔,然后穿过盒子上的孔,戳上铁芯。
    2. 将另一个L形回形针的长边穿过另一个V形和盒子上的洞。
    3. 使用遮蔽胶带将松散的回形针连接到铁芯,如步骤5所述。
    4. 这样就完成了两侧带曲柄的车轴。
  2. 设置电线分配器,使线轴可以轻松地将电线分配到核心。图5显示了可能的设置.
  3. 您现在可以准备开始缠绕线圈。用胶带将电磁线的末端连接到轴上。将其贴在铁芯的起点附近,在用于连接L形回形针的胶带顶部,保持8英寸(20厘米)的磁线自由以形成引线。在此步骤中使用的磁带类型不是必需的.注意: 导线(发音为”leed” )是一根电线,用于将一个电子仪器连接到其他电子仪器。你正在贴在铁芯上的磁线末端称为线圈的起始线
  4. 从遮蔽胶带结束的地方开始缠绕,整齐地衬在每个环的旁边,如图9所示。
    1. 当你缠绕线圈时,各个环可能会散开;用你的拇指和指针确保转弯保持紧密,一个紧挨着另一个。
    2. 记下你是如何顺风或顺时针旋转的。如果要缠绕第二个线圈,请确保以与第一个线圈相同的方向缠绕。沿另一个方向旋转会改变感应电流的方向.
磁铁绕铁芯整齐缠绕
图9。在铁芯与L形连接处开始,铁芯绕着铁芯整齐地放置在一起。绿色遮蔽胶带将芯和L形状保持在一起形成轴;白色胶带将起始线固定到位。

  1. 直到你到达核心的另一端,然后遮蔽胶带将核心和另一个纸夹固定在一起。现在,继续上弦,将曲柄向相同的方向转回。这将使你的第二层循环。
  2. 继续整齐地来回缠绕,一层叠在另一层之上,直到你完成第六层循环.注意:如果要缠绕第二个线圈,请在缠绕四层后停止。
  3. 使用一小块胶带固定最后一个环,以便所有环保持紧密。
  4. 切断电磁线,留下8英寸(20厘米)电线的引线,以便稍后进行电气连接。该引线将被称为线圈的端引线
  5. 使用一小片胶带将其放在末端引线周围,形成一个小旗。该标志将标记哪个引线是线圈的最终引线.
  6. 松开将起始导线固定在轴上的胶带;还取消了将芯和L形状保持在一起以形成轴的遮蔽胶带。你现在有一个带有起始和终止引线的直线圈.
  7. 从两根导线的最后一英寸(2.5厘米)剥去所有的绝缘层,以便它们可用于创建电气连接:
    1. 将一张砂纸折成两半,粗糙的一面朝向彼此,制作一个”砂纸三明治” ,如图10所示。
    2. 将要剥离的磁线末端放入砂纸夹层内,如图10所示。将砂纸夹层轻轻按压在一起,轻轻地在最后一英寸的导线上来回摩擦。
    3. 将导线旋转四分之一圈并再摩擦一下,以去除导线四周的涂层.
    4. 当您看到下面的铜线时,电线被剥去.
    5. 小心不要在摩擦时用力过猛或导线断裂。
    6. 请参阅此电线剥离教程视频如果您在剥离绝缘层时遇到问题,请进行演示。
用砂纸去除磁线末端的绝缘层。
图10. “砂纸夹层” 用于去除磁线末端的绝缘层。

用于剥离连接线绝缘的教程视频。

  1. 现在将线圈(或铁芯缠绕的铁芯)弯曲成U形。
    1. 用一张纸保护您的桌子,放在桌子边缘旁边。
    2. 将1 1/2英寸(4厘米)的线圈放在纸张上,垂直于桌子的边缘。用一只手握住线圈放在桌子上,同时用另一只手将那边弯曲90度。请注意,您可能需要非常努力地弯曲线圈。
    3. 现在,将线圈另一端的1 1/2英寸(4厘米)放在纸张上,垂直于桌子的边缘。用一只手握住线圈,同时用另一只手向下弯曲90度,使桌子边缘悬挂U形,如图11所示。线圈现已完成。
在表格边缘将线圈弯曲成U形
图11. 用手的力将直线圈弯曲成桌子边缘的U形线圈。

测量线圈周围的磁场配置

在本节中,您将测量并绘制直铁芯和刚刚完成的U形线圈周围的磁场配置。如果您需要有关如何执行本节的帮助,请参阅电磁学教程视频

除铁芯和线圈外,还需要铁屑,至少一个指南针,一支笔和几张纸。您可以使用相机拍照,以便在科学博览会项目展示板上进行拍照。

  1. 创建第一个磁场配置,相反的磁极面向线圈或磁芯.注意:在本节中,”core” 将始终指代套件随附的直铁芯,”线圈” 将始终指您刚刚缠绕的U形线圈。
    1. 取一个可弯曲的铁芯和两个钕磁铁.
    2. 将核心放在坚硬的地板或桌面上,或者用手掌猛击几下.”停止” 的突然震动将消除可能存在于该铁磁材料中的磁畴的所有剩余对准。咨询电,磁,和电磁学教程:磁学如果您想了解更多有关铁磁材料和磁畴的信息。
    3. 在磁芯的一端放置一块磁铁,在磁芯和磁铁之间放一小块纸板,如图12所示。将另一块磁铁和一块纸板放在另一端,确保相反的磁极面对核心。
    4. 使用指南针检查核心的两端是否连接到相反的两极:
      1. 将指南针悬停在核心上,靠近一端。检查罗盘针的哪一侧指向此端的磁铁。
      2. 将指南针悬停在靠近另一端的核心上。检查罗盘针的另一侧是否指向此端的磁铁.
      3. 如果没有,请重复步骤1.b.和1.c.并再次检查.
两端有磁铁的铁芯
图12. 铁芯两端带磁铁和小纸板。所示配置具有面向核心的相对极。

  1. 使用铁屑使磁场可见。
    1. 将一张纸放在铁芯顶部并附上磁铁。铁芯应位于纸张顶部的下方.
    2. 将铁屑均匀地撒在顶纸中心直径约7英寸(18厘米)的圆形区域.
    3. 轻轻摇动顶部纸张或用手指轻轻移动铁屑。
    4. 观察磁场线.
    5. 注意铁屑与野外线很容易对齐。这表明一个强大的领域.
    6. 使用指南针确认所需的野外线方向.注意:针将始终与场线对齐。
    7. 如果您有可用的相机,请拍照.
  2. 在一张纸上绘制您的配置和磁力线。请参阅电磁学教程视频中条形磁铁周围的磁场图。如果您需要有关如何绘制磁场线的帮助.
  3. 在您的实验室笔记本中做出有根据的猜测,了解这些场线如何在铁芯的铁磁材料内继续形成闭环。你是否期望该领域强大(许多场线聚集在一起)或铁芯内部弱?
  4. 小心地从纸张下方取下磁铁和纸板,将它们放在一边。磁铁会随身携带锉刀,所以要注意并尽量不要将锉屑丢弃。
  5. 取下顶部纸张并将铁屑收回管中。
  6. 使用前面步骤中获得的字段配置来形成一个假设,即当您将核心弯曲​​成U形时,该字段可能是什么样子。此步骤允许您优化和测试您的想法。
    1. 将线圈放在坚硬的地板或桌面上,或用手掌或手将其猛击几下,以清除材料中剩余的所有磁性排列。
    2. 将最近缠绕的U形线圈的末端连接到两个磁铁和小块纸板上,如果您正在测试第一个配置,则将步骤1中的步骤连接到步骤1;如果您正在测试第二个配置,则将步骤8连接到步骤8。下面的图13说明了结果。
    3. 使用指南针检测特定点的场线方向。在磁场中的任何位置,罗盘的针将始终与场线对齐。您可以将指南针放在线圈顶部,以查看靠近线圈的磁场方向。
    4. 绘制U形线圈周围的场图.
    5. 如果您需要其他信息,可以使用您的文件使线圈周围的场线可见。这个领域有点复杂,所以除了提交文件外,请确保使用指南针!
    6. 在您的实验室笔记本中做出有根据的猜测,了解这些场线如何在线圈内的铁磁材料内继续产生闭环。你是否期望这个领域强大(许多场线聚集在一起)或铁芯内部的弱点?
两端带磁铁的铁线圈
图13. U形线圈,两端带有磁铁和小块纸板。指南针用于检测线圈周围的磁场方向。

  1. 现在,您将测试您的第二个磁场配置:就像面向核心的磁极一样。
    1. 重复步骤1,确保像杆一样面向核心.
    2. 对第二个磁场配置重复步骤2-6。
  2. 现在通过重复步骤7来测试线圈的第二磁场配置。确保磁极面对线圈。
  3. 将下表复制到您的实验室笔记本中,并使用您的图纸填写您的发现.注意:”线圈周围单个绕组(或绕组)覆盖的区域” 是指铁芯的横截面。如在该项目中,芯是长圆柱体,该横截面对于围绕芯部的900至1500个绕组中的每一个是相同的并且与圆柱形铁条的圆形底部的表面相同.

指向外面的交替波兰 相同的极向外指向
U形线圈周围场线的草图。
确定通过单个绕组所覆盖区域的场线数量.(很多 – 很少 – 没有)
确定单个绕组和大多数场线所覆盖区域的方向.(垂直 ​​- 以一定角度 – 平行)
表1。表中记录了关于两种不同磁铁配置的线圈周围磁场的发现。

组装发电机

注意:如果您使用套件中的材料来创建线轴分配器,您可能需要拆卸 part 或整个线轴分配器并重新调整用途你建造发电机的碎片。

让下面的图14作为指导的指南。

带1个线圈和6个钕磁铁的发电机
图14。使用一个线圈和六个钕磁铁发电的发电机。

  1. 找到构建基本结构所需的材料:预钻木块,两个红色塑料板,四个短螺钉,三个六角螺母和一个长螺栓。所有这些都显示在下面的图15中.
构建发电机基本结构所需的材料
图15。以下项目用于构建发电机的基本结构:预钻木块,两个红色塑料板,四个短螺钉,三个六角螺母和一个大螺栓。

  1. 使用木块两侧的两个预钻孔和四个短螺钉将红色侧板连接到木块的侧面。使用十字螺丝刀将面板固定好。
  2. 取长螺栓,将其穿过一块红色面板的孔,在螺栓上拧上两个六角螺母,将螺栓穿过另一块红色面板的孔尽可能远,并拧紧最后一个六角螺母在螺栓上。该螺栓将被称为发电机的
  3. 在此步骤中,您将使用电气胶带将螺栓和六角螺母固定到位。注意电气胶带是此步骤中的首选类型。
    1. 将胶带放在螺栓的远端,在红色面板内,以加厚螺丝,如下面的图16所示。这将使螺栓保持在原位而不会限制其旋转能力,因为螺栓将是发电机的中心轴。
    2. 下一个六角螺母需要固定在红色面板之间的中间位置,即使木块中钻有两个中心孔,如下图16所示。该六角螺母将固定磁铁并用作发电机的转子(或旋转部件)。为了很好地固定它,将六角螺母放在最终位置,将其从最终位置旋转约2 mm,将两层胶带放在六角螺母旁边的螺栓上,然后将六角螺母拧回到胶带上的适当位置。六角螺母应牢固安装在螺栓上.
    3. 安装在转子和最后一个红色侧板之间的第二个六角螺母可以方便地将转子拧回原位,以防它松动。它可以留在转子和红色面板之间的任何位置。在下面的图16中,它位于红色面板上。
    4. 使用胶带将最后一个六角螺母固定在红色面板外螺栓末端的位置。这个六角螺母应该或多或少地放置在红色面板和螺栓末端之间的中间位置。它将帮助绕轴旋转导线(或者,参见自己动手制作,了解该科学项目的变体,可用于安装风车或水轮) .
说明将三个六角螺母放置在发电机轴上的位置的示意图
图16. 示意图,说明将三个六角螺母放在中心螺栓上的位置。它表明中央六角螺母(将用作转子)如何与中心预钻孔对齐,以及如何使用电工胶带将物体固定到位。

  1. 通过在中央六角螺母上放置六个钕磁铁来完成转子,每侧一个,交替的磁极朝外,如下面的图17所示。使用这种配置,线圈内的磁场将每隔60度(或整圈的六分之一)翻转。
    1. 堆叠六个钕磁铁,一个在另一个上面。您可能想要切出小块纸板并将它们放在磁铁之间。纸板将帮助他们更容易地分开.
    2. 从堆叠顶部一次剥一个磁铁.备用是否将”顶部” 或”底部” (粘在堆叠中的其他磁铁上的一侧)连接到六角螺母上。这将确保您具有交替的南北极,如图17所示。
    3. 您可能希望从侧面接近六角螺母(悬停在中心螺栓上方)以避免从六角螺母上已有的其他磁铁拉动和推动.
    4. 如果难以使用六个磁铁,请随意在六角螺母上放置两个相距180度的磁铁测试发电机。确保相对的杆朝外.的:此配置可能会提供非常暗淡的光线.
六角螺母两侧各放一个钕磁铁作为发电机的转子
图17. 六个钕磁铁,六角螺母两侧各一个,用作发电机的转子。放置磁铁使得朝外的磁极交替南 – 北 – 南 – 北 – 南 – 北。

  1. 使用指南针检查是否正确放置了钕磁铁。
    1. 将磁铁固定在一个磁铁上方并记下指南针的方向.
    2. 将轴转动60度(整圈的六分之一),使指南针面向下一个磁铁。注意转弯时指南针的针头发生了什么。它翻了吗?你能解释一下原因吗?
    3. 如果需要,翻转磁铁,直到针每转60度翻转一次。务必检查所有六个磁铁.
  2. 取U形线圈并微调U形线圈,使转子恰好位于U形腿之间的开口内,两侧留出约1 mm的空间,如图18所示,下方。
塑造线圈使转子适合U形内部,留出足够的空间让它轻松转动
图18. 对线圈进行整形,使转子安装在U形内部,留出足够的空间让它轻松转动.注意:磁铁可能会将U形拉向它。

  1. 在该步骤中,使用掩蔽带将U形线圈牢固地附接到支撑件。确保线圈牢固地固定在木块上。当发电机运行时,推动和拉动线圈的磁力可能非常强。
    1. 将两个螺钉放入转子两侧木块的预钻孔中;这些将保持线圈。
    2. 将U形线圈放在适当的位置,放在木块上,腿就在转子外面。
    3. 使用遮蔽胶带将线圈固定到位。注意电气胶带拉伸一点,并不能很好地保持线圈到位。上面的图19显示了使用一个线圈和六个钕磁铁发电的成品发电机。
  2. 电流只能在闭环的导电材料中流动。线圈本身不是闭环。线圈引线和LED(发光二极管)之间的电连接将闭合环路。钉子将用于确保良好的电气连接。
    1. 将线圈的起始导线的裸铜部分紧紧地缠绕在一个钉子上,并且末端的裸铜部分围绕另一个钉子引导。请注意,引线的裸铜(这是您去除绝缘层的部分)需要触摸钉子的金属以形成电气连接。
    2. 通过在最长的腿上贴上胶带标志来准备LED。该标志将识别LED的正极侧(长边)。稍后您将需要在科学项目中使用它。
    3. 将LED灯的两条腿放在一对预先钻好的孔中,靠近固定线圈的一个螺钉,如下图19所示。将钉子放在相同的孔中,确保每个钉子接触LED的一条腿以形成电连接。
线圈引线和LED灯之间的电气连接是在两个钉子的帮助下创建的
图19。线圈引线和LED之间的电气连接使用两个钉子创建。

  1. 测试您的发电机。
    1. 快速转动轴;你的LED亮了吗?
    2. 如果你没有看到一阵光线,请再试一次,让轴转得更快。
    3. 您可能需要调暗房间内的灯光才能看到LED,因为它可能只会产生微弱的光线。一些学生需要实施一种能够产生足够快的旋转突发以产生光的机制.”测试您的生成器” 部分可以帮助您实现此类机制.
  2. 如果您的LED指示灯不亮:
    1. 检查线圈引线和LED之间的电气连接.电线(去除绝缘层的部分)触摸指甲?每个指甲是否触摸LED的一条腿,只有一条腿?如果没有,请建立更好的连接并重试.
    2. 确保去除两个引线端的所有绝缘层。你应该能够一直看到裸线。如果没有,请移除剩余的绝缘材料,然后重试。
    3. 如果您在步骤5.d中选择使用两个磁铁,请测试切换到六个磁铁是否会使LED亮起.
    4. 如果您的发电机仍然无法正常工作,请考虑您缠绕线圈时的护理:您的环路是否整齐地相邻?从一层移动到下一层时,你确定没有扭转绕线的方​​向吗?如果您认为自己没有那么小心,可能需要重绕线圈,或检查是否能够点亮连接多个线圈的LED。
  3. 根据需要进行小幅调整:
    1. 如果您的轴不易旋转,请进行一些修补以使其更自由地旋转。
    2. 如果在转动轴时线圈正在移动,请更好地固定线圈,使其在转子转动时保持不动.

测试你的发电机

当您快速转动轴时,您的LED可能会亮起。要进行科学测试,您需要创建可重现的旋转(意味着,类似速度和持续时间的旋转)。用完全相同的方式多次手动摇动发电机是非常困难的。本节介绍如何创建使用权重创建可重现的旋转突发的机制.(您将找到其他有趣的想法,例如在自己动手制作选项卡中创建风车或水轮)。

  1. 如果您使用带手柄的小桶,则可以跳过此步骤。如果您使用的是一次性杯子,则需要进行准备,以便能够轻松地将其固定在绳子上。
    1. 在杯子的两侧,靠近顶部边缘,用1孔打孔器或剪刀小心地制作两个孔。
  2. 剪下长约40英寸(100厘米)的绳子,将绳子连接到桶或塑料杯上,使杯子或桶可以从绳子上垂下来。使用下面的图20作为指南。
从字符串悬挂的杯子或桶将用于创建可重复的发电机旋转'shaft'width =
图20. 从绳子上悬挂的杯子或桶将用于产生发电机轴的可重复旋转。

  1. 使用位于红色面板外部的六角螺母将琴弦的另一端牢固地固定在轴上,如下图21所示。
    1. 在六角螺母附近的轴周围缠绕绳子一次(如果你的绳子很薄,则缠绕几次)。
    2. 将六角螺母拧到弦上.
    3. 如果需要,请使用胶带进一步固定绳子和六角螺母。
    4. 确保琴弦没有滑动,但如果转动轴,则会绕轴缠绕,如下图21所示。
使用铲斗的发电机,可以放置质量来创建旋转
图21. 使用铲斗的发电机,其中可以放置质量以产生旋转。

  1. 将发生器放在桌子的边缘,如上图21所示。这允许铲斗自由滚动,从而产生轴的旋转。
  2. 在桶中使用约90克(g)的质量来产生旋转。该质量相当于约18个镍。下面的表1列出了不同美国硬币的质量,以便您可以根据需要找到不同的硬币组合。

5.67g

8.10g

硬币 Penny Nickel Dime Quarter 一半美元 总统1美元硬币 美洲原住民1美元硬币
质量 2.50g 5.00g 2.27g 11.34g 8.10g
表2。表格列出了几个美国硬币及其质量,用克表示。

  1. 测试你的发电机:
    1. 把桶的绳子一直卷起来。
    2. 在拿着水桶时用水桶装满水桶。
    3. 让它在看着LED的同时滚下来。
    4. 注意你的LED是否亮起。
  2. 根据需要进行调整。例如,如果您的LED使用手摇曲柄点亮,但没有使用您的水桶,或者轴的质量不合适,则可能需要在水桶中添加一些质量。

比较生成的电力与磁铁配置

现在,您可以通过两种永久磁铁配置来测试发电机。您要测试的配置是:

  1. 永磁体放置在转子上,使得交替的磁极面向外。
  2. 永磁体放置在转子上,使得相同的磁极面向外。
技术说明

这台发电机会引起波动。在科学语言中,这在环路中称为交流电,或在线圈上称为交流电压。下图显示了在超过1 1/2周期内感应电流如何随时间变化。

感应交流电(交流电或交流电压)随时间变化的图表
图22. 感应电力随时间变化的图表。时间轴上方的部分反映正感应电压或一个方向上的电流;时间轴下方的部分反映负电压或反方向的电流。

支持测量交流电或交流电压的万用表非常精确,足以用于此电子科学项目,价格昂贵。如果您有一个可用的或可以使用示波器来可视化产生的电流或感应电压如何随时间变化,那就去做吧!

作为替代方案,该科学项目使用定性测量,即发电机是否可以照亮LED灯。

咨询电力,磁力,&amp;电磁学教程:DC与AC 有关交流电的更深入解释。

  1. 将下表复制到实验室笔记本中。您将使用它来记录您的发现.

向外指向对立的交替对手 相同的极向外指向
试验1
试验2
试验3
表3。用于记录LED是否在转子上以不同配置的永磁体点亮的表。

  1. 使用交替的南极和北极朝向外部进行第一次测试配置。这是您用于为发生器进行第一次测试的配置(组装发电机部分的第10步)。线圈中的磁场将由靠近线圈腿的交替磁极产生.注意:取决于您在步骤5.d中的选择。在装配发电机部分,您目前有两个或六个磁铁连接到转子上。请注意实验室笔记本中用于试验的磁铁数量。
  2. 测试此磁场配置三次。对于每个试验,您将:
    1. 把桶的绳子一直卷起来。
    2. 在拿着水桶时用水桶装满水桶.
    3. 让它在看着LED的同时滚下来。
    4. 注意你的LED是否亮起。
    5. 在实验室笔记本中记录您的发现。
  3. 现在从中央六角螺母上取下六个磁铁,然后将它们放回六角螺母上,使所有朝外的磁极都相同。线圈中的磁场将由靠近线圈腿的极点产生.注意:如果您在步骤2中使用了两个磁铁,请在此处再次使用两个磁铁,两个磁铁的相同极向外。
    1. 堆叠六个钕磁铁,一个在另一个上面,磁铁之间有一小块纸板。纸板可以更容易分离。
    2. 从堆叠顶部一次剥一个磁铁,始终将同一侧(粘贴在堆叠中其他磁铁的一侧,或未粘在其他磁铁上的一侧)连接到六角螺母。这将确保您有相同的杆朝外。
    3. 您可能希望从侧面接近六角螺母(悬停在中心螺栓上方)以避免从六角螺母上已有的其他磁铁拉动和推动.
    4. 将所有磁铁移至六角螺母后,使用指南针检查面向外的磁极是否完全相同.
  4. 对此配置重复步骤3。不要忘记进行三次试验。
  5. 分析您的结果:
    1. 您是否在三次试验中获得了一致的结果?
    2. 回顾一下您在表1中所示的结果,与表1相似,列出了两种不同永磁体配置在线圈周围产生的磁场特征。您的发电机测试结果以及磁场线识别是否支持您在磁铁在闭合线圈附近移动时如何产生电力?
    3. 如果结果令人费解,请再次阅读​​背景信息。如果仍然不清楚,请不要犹豫,向科学老师询问或使用科学伙伴咨询专家:对您的科学问题的答案咨询论坛。

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变体形式

  • 尝试其他方法使发电机的轴旋转。看看科学项目让您的水投入使用:使用水电来提升负载了解如何建造水轮的想法。图23可以为您提供有关如何创建风车的想法。如果您想尝试快速旋转,请记住将磁铁粘在六角螺母上,以防止磁铁飞出并造成危险情况.

用风车为发电机供电
图23. 用风车为发电机供电。

  • 研究线圈上不同数量的线圈如何影响发电量或如何添加更多线圈。项目构想发电机上的棚灯:做更多线圈产生更多电?可以帮助您入门.
  • 如果您有万用表测量交流电流或电压,您可以研究轴转动发电的速度的影响。请注意,您可能需要更改转速,以便能够看到它可以供电的LED数量的差异。如果您有万用表,这不应成为障碍。如果您想尝试快速旋转,请记住将磁铁粘在六角螺母上,这样磁铁就不会飞出并造成危险情况。
  • 如果您有示波器可视化电流和电压随时间的变化,请使用不同的磁铁配置计算发电机的功率。
  • 如果您有示波器可视化电流和电压随时间的变化,请研究频率,峰值电压或峰值电流如何随着不同的永磁体配置而变化(两个磁铁,六个磁铁,交替或相同的磁极朝外).