轉不停的陀螺

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轉不停的陀螺

一、 目的:

日常生活中使用到電器的機會非常多,只要是需要轉動的幾乎是靠電動機帶動,電動機的主要元件是電樞、永久磁鐵、導入電流的碳刷,碳刷和電樞間的磨擦力會降低旋轉的效率且會產生熱,如果用其他的方式可以替代碳刷,轉動時是永久磁鐵而不是電樞,這是電動機另一種表現形式,將內轉電樞電動機變換成外轉永久磁鐵電動機,這次的競賽請運用陀螺、漆包線、螺絲、電池組、磁簧管、強力磁鐵、LED 燈 等組件製作有電源驅動像電動機一樣的轉不停陀螺。

二、 原理:

陀螺會轉個不停,是因為「漆包線電磁鐵」與「陀螺中磁鐵」之間的交互作用。但是漆包線電磁鐵的磁場是固定的(除非電池的電流方向改變),因此陀螺中的磁鐵在旋轉過程,與漆包線電磁鐵之間應該會一下子被吸住 ,為什麼還會轉不停?這就是為什麼轉盤底部必須裝上磁簧管的原因。

玩具馬達有碳刷和電樞做電流的規律通路和斷路,碳刷和電樞接觸的時間點可以改變轉速和扭力又稱為磁進角,轉不停陀螺是作運用磁簧管控制電流的斷續,以陀螺的磁鐵和漆包線的線圈位置改變磁進角控制速度。

陀螺中的磁鐵在旋轉時,磁場的改變可以讓磁簧管一關一開的變化,造成電流一下通路、一下不通,因此漆包線電磁鐵也會一下有磁場、一下沒有磁場,所以只會有排斥力或者吸引力。

而磁力到底是保持互相吸引或是互相排斥?此與強力磁鐵放置的方向、旋轉方向以及電流方向都有關係。在製作過程中,不必為這個問題傷腦筋,因為如果陀螺在順時針時無法持續旋轉,則改成逆時針旋轉即可,反之亦然。

  1. 漆包線、螺絲製作電磁鐵,電磁鐵與陀螺中的強力磁鐵產生交互作用,讓陀螺獲得動力旋轉不停。
  2. 磁簧管和旋轉中的強力磁鐵產生交互作用,磁簧管讓電路產生間歇性的通路、斷路配合製作的電磁鐵驅動陀螺。
  3. LED 燈的點滅可以檢測電路的通路、斷路。

三、活動一:轉不停陀螺

(一)場地需求

每一組場地使用 1 張長條桌(60 公分 X 180 公分)。

(二)使用器材如材料總表

(三)製作說明於競賽現場製組「一組轉不停的陀螺」,它基本構造如下圖一。在放置陀螺的轉盤的背面底部有「漆包線電磁鐵」以及「磁簧管」,而陀螺裡面黏貼了一個「強力磁鐵」。(如圖一,線路皆為串聯)

  1. 漆包線和電磁鐵(圖二):將漆包線纏繞在鐵釘上(漆包線長約 300 公分即可),然後用砂紙將漆包線的頭尾二端刮除去漆(刮除漆的長度約 1~2 公分即可),以便能導電使螺絲成為電磁鐵(圖三)。
  1. 磁簧管:這是一種以磁場控制的開關,可隨著磁場的改變而一開一關,子材料行有販售不同尺寸的磁簧管,自行實驗時建議購買 AT 值較小(約 15-30)本體長度約 2.8 公分(不含接線端)的磁簧管。
  1. 塑膠湯匙:上述的「漆包線電磁鐵」以及「磁簧管」要黏貼在陀螺的塑膠湯匙的背面底部(用膠帶或熱熔膠皆可)。以便讓陀螺落在凹面的範圍內轉動,不讓陀螺四處游走。換言之;陀螺必須保持在塑膠湯匙底部的磁簧管、漆包線電磁鐵的上方。在製作過程,建議上述步驟要一步一步確認無誤,避免全部組裝完成後才試驗能否成功。
  1. 陀螺:這是自行製作過程中較不容易取得的零件,由於陀螺中央需要黏貼一個強力磁鐵(如圖四),因此必須使用一個中空的陀螺(圖四的陀圖二 圖三 圖一 螺是取自一個小玩具)。另一方面,請特別注意:強力磁鐵擺放的位置,必須讓南北極為水平方向,不可以為垂直方向!

至於強力磁鐵的大小,建議先購買約三種不同的尺寸大小進行試驗,通常強力磁鐵如果太小,會無法轉動;太大則因吸力太強不是無法轉動,就是轉動太激烈跑出凹面而停止。