电动、发电两用机的研究

电动、发电两用机的研究 1 电动、发电两用机的研究 壹、研究动机 当老师在 一年级 小学一年级数学20以内加减练习题小学一年级数学20以内练习题小学一年级上册语文教学计划人教版一年级上册语文教学计划新人教版一年级上册语文教学计划 上基础物理课介绍电动机与发电机时，我们发现只是前者是利用动能转换成电能后者则是利用电能转变成动能。 图一:电动机构造图。 图二:发电机构造图。 我们不禁很好奇，既然两种机械的构造如此接近，那是否有可能做出一个,如果有了这种电动、发电机，那在日常生活中一定会大大好用因为在夏天可以把它当作电风扇使用到了冬天，我们不再需要电风扇，我们可以利用冬天的季风来发电，提供室内照明之用。透过这个机制，我们将来制造电风扇时，就可以把它做成这种，不但可以达到节约能源的目的，更可以完全利用电风扇，可以说是一举数得～甚至将来在台风夜停电时，还可以用来当成紧急照明设备～因此我们相信如果可以成功开发出这种，它将会成为一种极具市场潜力的发明与创意～ 2 图三:设计雏形图。主要构造都是场磁铁与线圈，但是当开关切换到电池时，就可当成电动机。当开关切换到灯泡(LED)时，就是一个发电机。 贰、研究目的 我们将实验可以分做五个部分:实验初期，我们想自行组装发电机与电动机，因此我们设计了实验一与实验二。 :自组实验验证电磁感应的法拉第定律。 :自组实验验证电流磁效应的安培定律。 实验中期，我们想改装生活中常见的电扇成为，因此设计了实验三。 :改装电扇成为的尝试。 实验后期，我们成功的改装直流马达与发电机成为。 :由马达改装成。 :由发电机改装成。 叁、研究设备器材 1、直流电动机 1个 2、小马达 2个 3、安培计 1个 4、伏特计 1个 5、电池 数个 3 6、电流供应器 1个 7、鳄鱼夹 数个 8、小风扇马达 1个 9、灯泡 分别为2.4v 3.6v 6v 12v 数个 10、大风扇马达 1个 11、漆包线 1卷 12、线圈 数个 13、磁铁棒 数个 肆、研究过程或方法 实验一??A:验证法拉第定律:tANBtB????????φε 图四:我们利用高三选修物理实验验证法拉第定律。 磁棒速度愈快，感应电流愈大。 受限於实验的线圈匝数、面积固定，无法观察出与感应电流的关系。因此我们决定改良实验，自组线圈印证。 4 利用不同匝数、面积的线圈，从相同高度落下。若最低点速度相同，则感应电流应与面积、匝数皆成正比。 图五:我们利用漆包线自制线圈改良法拉第定律实验。 图六:我们自制成相同面积的ABC三种线圈(10、20、50匝)，以求得匝数与感应电流的关系。再利用C做成匝数相同但面积不同的DE线圈，以求得面积与感应电流的关系。 实验一??B:利用ABC线圈，找出线圈匝数与感应电流的关系。 实验一??C:利用CDE线圈，找出线圈面积与感应电流的关系。 匝数、面积愈大时，感应电流愈大。感应电流虽然使微安培计偏转，但是因为电流值太小，无法求出正比关系，当我们考虑增加匝数时，又由於我们是手工卷的线圈，不如机器卷的线圈密实，因此势必增加空气阻力与摩擦力，造成下落速度的减缓，因此我们必须想办法增大感应电流。 利使用较粗漆包线增大感应电流。 实验一??D:重作线圈，找出线圈面积与感应电流的关系。 5 图七:我们找到实验室里现成的线圈，果然发现感应电流大幅增加，我们得到结论是我们手头上的漆包线太细，因此改用较粗的漆包线尝试。 图八:我们利用单摆的方式，固定线圈由水平落下，因此可以固定线圈进入磁场的速度，以测其感应电流与匝数的关系。 我们先使用10圈的漆包线测，得电流不到0.1v，改用50圈漆包线测，则电流才0.1v，后来发现电流的大小和漆包线的的粗细有关，所以就改用较粗的漆包线20圈，测得电流0.1v，但实验到最后，发现电流电压太小，所以无法产生很大的电流供给电风扇运作。 图九:这是利用线圈当单摆，摆过磁棒时所需要的器材。 6 图十:预备时的照片。 图十一:开始实验的照片。 虽然我们成功验证法拉第定律， 但是感应电流的微小使我们放弃自组装发电机的念头，毕竟 高中 高中语文新课程标准高中物理选修31全套教案高中英语研修观课报告高中物理学习方法和技巧高中数学说课稿范文 实验室的技术还没达到工业级发电机的要求，於是我们改尝试自组电动机，进行实验二。 实验二??A:验证安培定律:线圈在磁场中所受力矩:BAIN×τ 图十二:我们利用高三选修物理实验验证安培定律。 电流愈大，力矩愈大。 受限於实验的线圈匝数固定，无法观察出与力矩的关系。因此我们决定改良实验，自组线圈印证。 7 NS极各放左右两侧通入电流直流电约7.5V 线圈转动。 N S 图十三:自组电动机设计雏形。 实验二??B:自组电动机 线圈线圈22圈用漆包线当支架将绝缘漆刮除把线圈放在支架上把磁铁44圈用漆包线当支架将绝缘漆刮除把线圈放在支架上把磁铁NS极各放左右两侧通入电流直流电约1V 线圈转动。 图十四:自制线圈未通入电流的照片 图十五:线圈一开始通电时，刚开始摩擦力甚大。 图十六:最后克服了摩擦力，线圈转动 电流愈大，力矩愈大。 与实验一相似的情形再度发生:虽然我们成功验证安培定律，但是力矩的微小使我们放弃自组装电动机的念头，毕竟高中实验室的技术还没达到工业级电8 动机的要求，於是我们改尝试改装生活中常见的马达看看是否比较容易接近我们的目标，遂进行实验三。 实验三??A:拆解各式电动机 图十七:我们第一个想到电脑的风扇，但是电脑的风扇固定在外壳，因此一旦破坏电脑风扇，也无法进行实验，我们只好改用其他材料。 图十八:我们再尝试另一种附有LED的风扇，希望转动风扇产生感应电流，直接使LED发光，结果风扇上的电路有二极体使输出电流受到整流作用，因此只好再度尝试其他材料。 图十九:我们成功拆解小马达，但是也破坏可供固定线圈的外壳，仍然需要再度改变材料。 9 图二十:我们拆解较大的马达，结果构造过於复杂，无法改装。 图二十一:我们拆解电风扇，结果构造过於复杂，无法改装。 我们更加了解马达的构造。 与市售各种电动机各有因应不同用途而采用的电路，不符合我们改装使用。 我们决定乾脆直接测量市售电风扇转动时产生感应电流是否恰好符合我们所需的电动、发电两用机的要求。 实验三??B:直接改装电风扇，测量感应电流 将电风扇插头与安培计连接，用手转动电风扇之扇叶，并测其电压。此时我们必须按下电风扇的转速开关以保持通路状态。 图二十二:利用电风扇的马达来测它所发出的电流 利用电风扇发电(约?,,μ,)，风扇转速愈快，产生的电流因抵消 的关系，所以产生的电流愈小。 我们发现虽然有感应电流，但是因为电风扇的马达仍然属於交流马达，因此感应电流仍然太小，不符合我们的需求。这时使我们的实验顿时陷入前所未有的困境～虽然我们坚信理论上的可行性，但是我们发现市售的任何一种马达在未经改装前都不符合我们的需求，因此我们必须极力突破困境，才能完成我们的任务。 大家停下脚步冷静思考后，决定开会检讨实验的方向，会中大家热烈讨论各种意见，有人提议是否考虑这个构思的立意太高不易实现。也有人提议:科学的发现莫不经历痛苦的挣扎与错误的尝试，因此只有锲而不舍的坚持下去，才会有甜美的果实～我们做成决议:再尝试一次，如果实验还是陷入泥淖之中，就将放弃这个理论上十分可行的构思～ 10 图二十三:我们重新请教生活科技老师:马达的分类。发现问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的症结在於我们生活中的马达大多是交流马达，所以无法符合我们的需求。 实验四??A:手动发电机 图二十四:偶然间我们发现实验室的太阳能发电机转动的马达是一种直流马达，我们抱持著死马当活马医的心态作最后的尝试。 图二十五:我们避开接在马达之后的两个二极体，直接将安培计接到马达部分，先用手直接转动，结果发现感应电流远大於我们之前所尝试的各种电动机，这个结果大大振奋我们的心情～ :产生,.,, 的电压(只有短暂的时间)、,.,A的电流(只有短暂的时间) 图二十六:这是我们尝试使用的两种发光二极体。 11 实验四??B:小马达驱动的发电机 图二十七:为了增加发电功率，我们使用这个马达来驱动上面那个直流马达，再测量感应电流得大小。 先将马达和直流发电机准备好，并将马达的轴心与直流发电机的轴心连接在一起，并固定住，将马达接入电源,.,,(此时电源未开启)，再将直流电动机输入电流的地方分别与安培计、伏特计、灯泡连接。 图二十八:这是利用小马达当作动力并带动直流电动机实验所需的器材 接入安培计:通入电流使马达转动(此时直流发电机也跟著转动)，产生,.3,的电流。 图二十九:这是测直流马达产生电流的实验 接入伏特计:产生,.,,之电压。接入灯泡2.4V:灯泡发亮。改变电动机的电流、电压，测出发电机所产生的电流、电压。 12 : 电池 电流 电压 1.5V 0.04A 5.5V 3.0V 0.08A 9V 4.5V 0.1A 13.5V 6.0V 0.08A0.11A 12.5V13.5V 我们终於第一次突破所有困境，～输出足够大的电流与电压～这种成就感真不是笔墨所能形容，因为坚持，所以看到初步的成果～但是我们对於这种结果还不是十分满意，因为毕竟还是用外界电流驱动而不是理想中的发电机的模式。况且发电机可以改装成，那相对的发电机应该也可以成功地改装成～因此我们不满足於现况，决定继续作实验五～ 我们再度尝试改装发电机成为我们的。 (一)、把直流马达加装两个开关(分别是1号、2号开关)，但开关只能有一个是开启的(1号开关打开时，2号必须关上，2号开启时，1号关上)，这个装置才有可能发挥功效。 (二)、把1号开关接上电池，2号开关接上LED灯，1号开关是控制直流马达的电源，当1号开关开启时，直流马达就会因电池带动风扇转动，即为电动机。当2号开关开启时，利用动力(如:风力、水力…等等)，使直流马达转动，输出电流，供应LED灯，使LED灯发亮，此时直流马达就成为发电机了～ 利用电风扇与1、2号马达对吹，马达所产生的电流与电压。 : 1号马达 风速快慢 电流 电压 强 0.1A 1.8V 中 80μA 1.75V 弱 60μA 1.7V 实验用直流马达-1号马达 2号马达 风速快慢 电流 电压 强 0.4A 0.53V 13 中 0.37A 0.5V 弱 0.3A 0.4V 辅助用马达-2号马达 图三十:我们将风力发电机成功改装成电动、发电两用机。 图三十一:当成发电机时，可以使灯泡发亮。 图三十二:当成电动机时，利用电池驱动，可以当成电风扇使用。 伍、实验结果 在实验一之(二)中，我们测出线圈转动，再次实验发现直流电只须1V即可使线圈转动，和实验一之(四)，发现电流输出的方向，与线圈转动的方向有关。利用安培右手定则可推断线圈转动的方向。 在实验二之(一)中，由於电风扇产生之交流电在安培计的指针上会互相抵消，所以所测得的电流约在?,μ,(,,:风扇转的越快产生的电流越小)。 在实验三之(一)中，产生感应电流约,.,A。 在实验四之(一)中，直流电动机:,(,,,产生电流最大值,,,μ, 产生电流最大值?,(,,。 14 在实验五中，使灯泡发亮。 1. 2. 1. 1. 陆、讨论 一、实验一问题: (一)、有时为何通入电流而线圈不转动 ,,,:可能原因:1接触不良2电流不够大，克服不了摩擦力 (二)、在实验一之(三)中，我们发现用44圈的线圈通入电流，是否因为重量的关系，转速较慢, ,,,: 摩擦力的关系或是应再设计新实验，详加探讨 (三)、该如何放置电铁，可以便线圈一通电后就可自动转动，不必用手推, ,,,:用手推是要让线圈克服最大静摩擦力。 (四)、该输出多大的电流即可使线圈转动，而不至於使运转中的线圈与导线产生火花, ,,,:将电流加装电阻器，减小通过的电流。 二、解决电动机转动的问题: (一)、发现磁极,、,极必须 成一直线并通过线圈中心 (二)、磁场可能不够大，打算利用电磁铁改善磁场的问题 (三)、结果: 线圈转动之问题有改善些许。 发现:利用电风扇发电，风扇转速愈快，产生的电流因抵消的关系，所以产生的15 电流愈小。 我们限於技术、时间与课业的压力，无法尽情讨论各项法拉第定律的性质，但是对於后续研究者而言，这不啻是一个很好的开端，因为自行设计线圈讨论法拉第定律，做成各种简易DIY小实验，只要有一卷漆包线与磁铁、安培计即可进行，突破以往课本制式实验仪器的限制，弥补课本实验的不足，增广课本实验的结果。相信这对实验者而言，能更深入了解各种法拉第定律的变化。 可能实验一:磁铁与法拉第定律 可能实验二:电流与法拉第定律 可能实验三:线圈与法拉第定律 与上述原理类似:对於后续研究者而言，我们也可以利用本实验二进行各种简易DIY小实验以印证安培定律。因此本实验也可以当成课本实验的延伸，增加课本实验的探讨性。 将来的电风扇，如果可以按照我们所发明设计改装的，那就可16 以如我们理想中的情形，夏天当成电动机，是一台电风扇，当台风来袭，风大雨大停电夜的紧急照明灯。 将来，如果可以推广这种两用机，从积极的角度来看:她实现了绿色环保的概念，也不必耗费大量的金钱盖发电厂，引发附近居民的抗议，可以说是好处多多～况且经由我们的努力与研究，发现改装成这种电动、发电两用机，其实并不太需要耗费太大的功夫，只要平常使用的电风扇改成直流发电机或直流电动机即可，因此所需的成本也可以说是可以接受的地步。 柒、结论 科学的研究虽然充满困顿与挑战，但是突破种种的瓶颈所获致的成果却是令人感到欣慰与值得～我们在指导老师不辞辛劳的领导与大家分工合作的团队精神下，终於成功的改装了两种，在这个历程中，我们不但体会到物理之美，也对过往科学家如安培、法拉第等实验的毅力与发明充满感激与仰慕，希望这点小小的成就，能成为将来生活改进的一点小贡献。 捌、参考资料及其他 (一)、国立台湾科学教育馆: (二)、Demolab 物理教学示范实验教室: