电动机与发电机

关于这个模拟实验

“电动机与发电机”是一个互动式 3D 电磁学实验室，演示同一台电机结构如何既能作为直流电动机又能作为交流发电机工作。矩形铜线圈在永久磁铁的 N 极和 S 极之间旋转，绿色 3D 矢量箭头显示每段有效导线上受到的安培力（洛伦兹力）F = I L x B。在“直流电动机”模式下，半环换向器每半圈将线圈电流反向一次，使力矩 τ = N I A B |cos θ| 始终沿同一方向驱动转子。点击磁极可切换到配备连续滑环的“交流发电机”模式，在 3D 波形板上产生正弦交变电动势曲线。

学生可以探索什么

在直流电动机模式下，观察旋转线圈两侧的绿色洛伦兹力箭头，注意半环换向器如何每转过 180 度将电流反向，从而使左侧导线始终受到向上的推力。
手动拖动转子轴心越过竖直平衡位置（中性面，θ = 90°），观察力矩在何处瞬间降为零。
将“电机模式”切换为“交流发电机（滑环）”或直接点击磁极，将示波器面板上的完整正弦波与整流脉动直流波形进行对比。
用滑块增大“磁感应强度 B”和“线圈匝数 N”，验证峰值力矩和感应电动势都与 N 和 B 成线性正比关系。
切换开启或关闭“磁感线 B”，观察气隙中 I L x B 的空间几何关系。

学习目标

1运用左手定则（或矢量叉乘右手定则 F = I L x B）判断通电线圈各边所受磁力的方向。
2解释为什么直流电动机需要半环换向器和电刷来维持单向持续旋转的力矩。
3对比半环换向器（脉动直流输出）与连续滑环（正弦交流输出）的输出特性。
4计算磁力矩 τ = N I A B cos θ 和发电机峰值电动势 ε_0 = N B A ω。

教师常问的问题

直流电动机中的半环换向器起什么作用？

如果没有换向器，当线圈两边在 N 极和 S 极之间互换位置时，通电线圈所受的磁力矩每半圈就会反向一次。半环换向器每转过 180 度就将线圈内的电流方向反转一次，从而使力矩始终朝同一个旋转方向推动线圈。

交流发电机在结构上与直流电动机有什么区别？

交流发电机用两个连续的滑环代替了半环换向器——每个滑环分别固定连接在线圈的两端——因此感应出的交变电压会直接以平滑正弦波的形式通过电刷输出。

线圈处于什么位置时磁力矩最大？什么位置时最小？

当线圈平面与磁感线平行（θ = 0°，cos θ = 1）时，两个力的力臂最长，因此力矩最大。当线圈平面与磁场垂直（即处于中性面，θ = 90°）时，力矩降为零。

怎样才能提高交流发电机产生的电压？

根据法拉第电磁感应定律（ε_peak = N B A ω），可以通过增加线圈匝数 N、使用磁性更强的磁铁（增大 B）、增大线圈面积 A 或加快转子转速（增大角速度 ω）来提高峰值电压。

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