物理篇电动机

Physics-ElectricMotor

发电机和电动机的外形非常相似，让人不易分清。此篇文章将简单介绍它们之间的区别、电动机的应用场景、并且探讨高中物理会涉及到的直流电动机的相关原理。

发电机

Electricgenerator

发电机是将动力（机械能）转化为电能的设备。此处的动力可以来源于水、蒸汽、风等。

只要给我动力，就可以产生电！

电动机

Electricmotor

电动机，又名马达（由motor英译而成），是把电能转化为机械能的设备。

只要给我电，就可以产生动力！

电动机在生活的应用中很常见，比如说家里的电风扇、高楼里上下运行的电梯、马路上的汽车、以前旧电脑里的磁盘驱动器等...它们都是通过利用电能产生动能的设备。

电动机可以分为直流和交流两种。直流电动机采用直流电源（directcurrent），如干电池和蓄电池；交流电动机采用交流电源（alternatingcurrent），如家庭电路和交流发电机。

电池输出直流电，家庭电路输出交流电

在高中物理中，我们会先接触到直流电动机（d.cmotor）的工作原理。

直流电动机示意图

如图，左右两边是不同极的永磁铁（不易失去磁性的磁铁）。（注：从N到S极被定义为磁场的方向）图中间的长方形部分是一条线圈（一般电动机会有非常多层的线圈以提高转速，为了方便展示结构和原理，示意图中只表现了一层）。

除了磁铁和线圈，以下这三个结构也起着重要的作用：

直流电电源

电刷

换向器

直流电电源通过导线连接到电刷传输电流，电刷再与换向器（它的两个金属环相互绝缘）接触但不连接，让电流可以从电刷和换向器之间通过。换向器连接着线圈，它们是互相固定的，转动也是同步的。

那么问题来了，线圈是怎么转起来的？

回答这个问题，我们需要用到左手定则，来判定载流导体在磁场中的受力方向，以助于理解转动的原理。

在年，担任英国伦敦大学电机工程学教授的约翰·安布罗斯·弗莱明，为了帮助他的学生更好地记忆磁场、电流、受力方向之间的关系，他想出了一个通过左手记忆关系的好方法，也就是左手定则。

在左手定则中，三根手指互相垂直，分别代表载流导体的受力方向、磁场方向和电流方向。也就是说，只要知道其中任意两个量的方向，就可以通过左手定则推断出第三个量的方向。

回到直流电动机的工作原理，带上左手定则，我们可以分析出图中左边部分的线圈受向上的力，右边的线圈受向下的力，一上一下，正好可以旋转。

线圈连着换向器转了半圈（即旋转了度）之后，换向器重新与电刷接触，这时候每个电刷接触的是线圈旋转度之前的另一个换向器金属环。

换向器正视图

使用电动机的目的是让它产生源源不断的动能，所以为了让线圈不断地旋转、输出动能，不管线圈的哪一面朝上，都需要让它保持一直左上右下或者左下右上的受力方向，这样线圈就可以顺时针或逆时针不停地旋转。而换向器在这里就起到了关键的作用。

换向器有什么用？

不妨设想一下，如果没有换向器，线圈直接与导线连接，那么在线圈翻一个面之后，对于同样的磁场来说，电流的方向改变了，随之受力方向也会改变，这样会导致线圈再反方向地翻回来，从而不能持续旋转并产生动能。

有了换向器，这个问题就解决了。翻面之后，换向器与电刷再次接触（可以再看看上文的换向器正视图进行理解），而导线传输电流的方向依然不变，这样就能让线圈电流的方向和翻面前保持一致，从而让受力方向也与翻面前一致，以达到让线圈持续旋转的目的。

回到现实生活，在真正的电动机中，结构与示意图大大不同。这是因为为了满足对大量动能、转速、扭转力的需求，许多结构作出了相应的改变。比如这样的：

如图可见，线圈缠绕的次数更多了，磁铁也用了具有更强磁力的电磁铁。除此之外，还可以通过增加电流来提高转速和扭转力。

参考：

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