神奇的天體搖擺儀

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