电磁小火车运动原理分析

代　战　戴　瑞　隋玲玉

(东北师范大学物理学院，吉林 长春　130024)



大学生园地

电磁小火车运动原理分析

代战戴瑞隋玲玉

(东北师范大学物理学院，吉林 长春130024)

电磁小火车题目来自2016年IYPT中的一道题目，介绍了一个两端扣有纽扣磁铁的干电池可以在螺绕环中运动，吸引了很多中学生的注意，学生对此很感兴趣，迫切想要了解其中的物理知识.这个现象与高中所学的电磁学知识紧密相关,而且电磁学知识是高考中很重要的知识.本文介绍了电磁小火车的制作方法，并运用高中知识解释了小火车的运动原理，有助于学生理解电与磁之间的相互作用，加深对高中电磁学知识的理解，以期提高学生运用物理知识解决实际问题的能力.

电磁；螺绕环；磁场

1　电磁小火车的构造

制造材料：一节干电池(5号)、4个纽扣磁铁(两个直径15mm和两个直径10mm)、铜线若干(直径1mm，全裸).

制作方法：将一个直径15mm的纽扣磁铁和一个直径10mm的纽扣磁铁按图1所示分别扣在干电池的两端，注意纽扣磁铁朝向电池的极性要

相同，这样制成小火车.铜线绕成的螺绕环是小火车的轨道(螺绕环是直螺绕环，也可以弯曲)，制作时可以将铜线绕在一个圆柱形棒上，注意直螺绕环的直径要大于磁铁的直径，铜线要按一定的方向缠绕，缠绕一定的长度即可，我们会发现由于铜线的韧性，每匝之间会有一个小缝隙，使得每两匝之间没有直接接触，这也为形成电磁铁提供了条件.制作完成如图1所示：

图1　小火车成品图

2　电磁小火车的运动原理分析

下文以纽扣磁铁的N极指向电池制成的小火车和直螺绕环为例来分析原理.从右侧看去直螺绕环中铜线按顺时针方向绕制，其他情况分析方式相同.本文将小火车进入直螺绕环分为3个阶段来分析.

2.1小火车刚要进入直螺绕环阶段

小火车刚进入直螺绕环时是电池正极端的纽扣磁铁S极进入，由图2可知：磁铁进入时，直螺绕环的磁通量增加，由楞次定律，螺绕环会产生反方向的磁通量，即磁铁会受到一定的阻力，但是由于手给予的推力，小火车可以顺利地进入直螺绕环.这里需要说明的是：由于直螺绕环是由铜线环绕而成，每一匝之间都有缝隙，所以在很大程度上减小了感应电流的产生，以至于阻碍的作用没有磁铁在铜管中那么明显，笔者在操作时也发现，刚要进入时楞次定律的阻碍效应几乎感受不到.

图2　小火车进入时分析图

2.2小火车进入直螺绕环阶段

当小火车进入直螺绕环后，由于电池的正负极都与纽扣磁铁相连，而磁铁又具有导电性，所以电池和磁铁与直螺绕环接触的部位就形成了通路，电流的方向从正视图看是向上的，如图3所示，这也是小火车获得动力的本质原因，解释这个力有两种方法，笔者分别加以阐述.

图3　小火车进入后分析图

图4　受力原理分析图

第一种解释：以一匝螺线圈为例介绍，由于通电线圈处于纽扣磁铁的N极磁场中，将N极产生出的磁感线分为平行于螺绕环中心轴和垂直于螺绕环中心轴的两个方向，对产生水平方向力有作用的是垂直于螺线圈中心轴方向的磁感线；如图4所示，利用左手定则，四指指向电流的方向，电流方向沿螺线圈向上，磁感线穿过手心，可知螺线圈受到的力的方向向右，利用牛顿第三定律可知：小火车受到的力向左，力的大小为所有通电线圈所受力的合力，所以小火车会向左运动.有时在向里推的时候会受到阻力，小火车好像在向外倒退，这是由于小火车在螺绕环中电磁铁的磁极与磁铁的磁极相互排斥，在我们设想的运动中充当的是阻力，以这个例子来说，就相当于我们把电池负极相连的纽扣磁铁放入螺绕环时，它就会倒退.

第二种解释：当小火车进入直螺绕环后，由于电池的正负极都与磁铁相连，而磁铁又具有导电性，所以电池和磁铁与螺绕环接触的部位就形成了通路，那么连通的那段螺绕环就形成了一个电磁铁，根据安培定则，如图5，可以判断出通电螺绕环左端为N极，右端为S极，从图中我们可以看出右端同名磁极相互排斥，左端异名磁极相互吸引，在磁极的相互作用下小火车向左运动.

图5　磁极分析图

2.3小火车离开直螺绕环阶段

小火车离开螺绕环时，如图6，只有电池负极的磁铁在螺绕环中，磁铁通过螺绕环的磁通量减少，由楞次定律知，螺绕环会产生反方向的磁通量，即磁铁会受到一定的阻力，但是由于惯性，小火车可以顺利地离开螺绕环.这里同样发现楞次

图6　小火车出来时分析图

定律的阻碍作用微乎其微，基本感受不到.

3　结语

笔者通过本文分析电磁小火车运动的原理，

目的在于希望中学生在学习了物理知识后，可以理论联系实际，运用物理知识解释生活中的一些现象，同时也希望中学生可以运用自身所学的物理知识制作一些作品，例如本文中的电磁小火车.这样不仅可以锻炼动手能力，同时也可以把相关的知识理解得更为透彻，在一定程度上激发学生学习物理知识的积极性.

[1]刘传先，夏义琴.论电磁相互作用力的产生[J].阜阳师范学院学报(自然科学版),1993,20(2):8-9.

[2]赵凯华，陈熙谋.电磁学[M].北京:高等教育出版社，2011：251-254.

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ANALYSISONTHEPRINCIPLEOFELECTROMAGNETICSMALLTRAIN

DaiZhanDaiRuiSuiLingyu

(PhysicsSchool,NortheastNormalUniversity,Changchun,Jilin130024)

Theissueoftheelectromagneticsmalltraincamefromaquestionin2016IYPT,whichintroducedaphenomenonthatadrycellwiththebuttonmagnetattwoendscouldmoveinthetoroid.Thisphenomenonattractedtheattentionsofmanymiddleschoolstudents,whohadgreatinterestonthisproblemandurgentlywantedtounderstandtheinsidephysicalknowledge.Indeed,thisphenomenoniscloselyrelatedtotheknowledgeofelectromagnetismstudiedinseniorhighschool,andtheelectromagneticknowledgeisaveryimportantpartofknowledgeincollegeentranceexamination.Thispaperintroducesthemakingmethodoftheelectromagnetictrainandexplainstheprincipleofthemotionofthetrainbyusingtheknowledgelearnedinseniorhighschool.Ithelpsstudentsunderstandtheinteractionbetweenelectricityandmagnetism,anddeepentheirunderstandingoftheelectromagnetismknowledgelearnedinhighschool,inordertoimprovestudents’abilitytosolvepracticalproblemswiththeirphysicalknowledge.

electromagnetism;toroid;magneticfield

2015-12-18;

2016-02-02

东北师范大学物理学院实验仪器研发项目(No.20150107).

戴瑞，女，副教授，主要从事光学的科研与教学研究.dair986@nenu.edu.cn

引文格式: 代战,戴瑞,隋玲玉. 电磁小火车运动原理分析[J]. 物理与工程，2016，26(3)：71-72，77.