在頭條的西瓜視頻看到一段拆解 神奇的天體搖擺儀[1] 的視頻。作者展示了一件天體搖擺儀桌面擺件從靜止到啟動的過程。之所以將這段視頻看完,是因為在上個月初,在 山東大學開智能車競賽技術(shù)研討會[2] 時,中午去千佛山游覽圖中也看到過這種玩具,手動撥動它,猜想其中的驅(qū)動原理。這段視頻作者就將該裝飾擺件拆開并分析其中的原理。
天體搖擺儀的原型金屬框底部有一個永磁鐵,受到底部中電磁鐵的驅(qū)動產(chǎn)生持續(xù)的擺動。底部黑色塑料殼上,除了承載四節(jié)五號電池(6V)倉盒之外,有一個電磁鐵和它底部的驅(qū)動電路板。
電磁鐵具有兩個繞組,使用萬用表可以測量到兩個繞組的直流電阻分別是2000Ω和25Ω。假設(shè)兩個繞組使用相同漆包線繞制,那么從對應(yīng)的直流電阻可以大體推測這兩個繞組的匝數(shù)大概是80:1。
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最為不尋常的是電磁鐵非常簡單的驅(qū)動電路,上面就只有一個有源器件。視頻中作者經(jīng)過測量確定這個器件是一個NPN型的三極管。與繼電器三個繞組、驅(qū)動電源之間的連接電路如下圖所示:
在這個驅(qū)動電路中,NPN型三極管并沒有進行b-e偏置,因此靜態(tài)時它是截止的,整個電路是不消耗電能的。
視頻作者在后面的分析中講解到,當搖擺的永磁鐵在靠近電磁鐵時,會在電磁鐵中線圈 感應(yīng)出電動勢,當它超過三極管b-e之間的導(dǎo)通電壓,便會產(chǎn)生基極 電流,經(jīng)過三極管電流放大,在三極管發(fā)射極輸出 的電流。該電流流經(jīng) ,經(jīng)過電磁鐵內(nèi)部的耦合,重新增強了 ,使得三極管飽和導(dǎo)通。此時電磁鐵產(chǎn)生吸力吸引永磁鐵加速靠近。
當永磁鐵經(jīng)過最低點開始遠離電磁鐵磁芯時,電磁鐵內(nèi)部的感應(yīng)電動勢開始反向,這會使得三極管有導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止,電磁鐵失去勵磁電流。所以在永磁鐵離開時,電磁鐵不產(chǎn)生吸引力。于是在電磁鐵的驅(qū)動下,固定有永磁鐵的天體搖擺儀便產(chǎn)生周期擺動。
視頻作者的講解清晰明了。后面他又通過在L2上并聯(lián)一個發(fā)光LED來顯示三極管導(dǎo)通的狀態(tài),演示了搖擺儀擺動過程中,三極管導(dǎo)通的變化。
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到此為止,似乎天體搖擺儀工作原理講明白了,但是稍微深入思考一下,就會發(fā)現(xiàn)還是會使人產(chǎn)生更多的疑問:
1.問題一:
永磁鐵在靠近電磁鐵時,根據(jù)電磁感應(yīng)中的 楞次定律(Lenz Law) ,線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電流應(yīng)該是阻礙由永磁鐵所引起的磁場變化,換句話說,此時電磁鐵中的電流以及對應(yīng)三極管放大后的電流所產(chǎn)生的磁場會抵消永磁鐵引起的磁通量的變化。此時,電磁鐵不是吸引永磁鐵,而是排斥永磁鐵。
這樣,上面解釋的基礎(chǔ)就不存在了。
2.問題二:
上述電路中,如果三極管從導(dǎo)通變化到截止過程中,線圈中原本流通的電流由于不能夠發(fā)生突變,那么在該電路中,線圈電流經(jīng)過什么 續(xù)流電路[3] 而流動呢?
3.問題三:
各種摩擦力、空氣的阻尼力都會消耗天體擺動儀中的機械動能。上述電流是將電池中的電能,轉(zhuǎn)換到線圈中的磁場能量,近而耦合到擺動儀金屬框架的運動動能。那么電能到機械能能的轉(zhuǎn)換過程是什么呢?
實際上,解決上面的疑問并不困難,需要借助于示波器將電路上各點的電壓、電流波形給出,便可以對電路工作原理進行合理的解釋。
很遺憾,視頻作者并沒有給出,我手邊也沒有這個天體搖擺儀。也許下一次再看到景區(qū)出售這個桌面擺件時,應(yīng)該購買一個。
參考資料
神奇的天體搖擺儀: https://www.ixigua.com/6902320140856230403/
[2]山東大學開智能車競賽技術(shù)研討會: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5NjQyNjc2NQ&mid=2452236071&idx=1&sn=43e191138dbae8ab62c7735107b93bef&chksm=876ec945b0194053bf750d7d77034c4007e6eef8e77f1bd33edeb64c015db30a8fce0d31de04&token=819358469&lang=zh_CN#rd*
[3]續(xù)流電路: https://baike.baidu.com/item/%E7%BB%AD%E6%B5%81%E4%BA%8C%E6%9E%81%E7%AE%A1
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