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[去科技馆学科学]哥伦布蛋与旋转磁场

韩永志/中国科学技术馆

2018-07/总第266期

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航海家哥伦布巧立鸡蛋的故事相信很多人都听说过,这里我们把哥伦布蛋与旋转磁场放在一起,是为了向大家介绍一些有趣的电磁学知识。实际上,在哥伦布生活的15—16世纪,人们对电的认识仍仅仅停留在雷电和摩擦起电的阶段,更别说旋转磁场了。

我们这里所说的哥伦布蛋已经不是当年哥伦布巧立起来的真鸡蛋了,而是塞尔维亚裔美籍科学家、发明家尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla,1856.7.10—1943.1.7)为了进行电学实验而特制的形状类似鸡蛋的铜蛋,因为他在实验中像哥伦布立鸡蛋一样把这个铜蛋立了起来,所以起了个这样的名字。当然,特斯拉立起这个铜蛋时并没有像哥伦布那样把蛋的一头碰破,而是利用了旋转磁场。为了能更方便地介绍相关知识,还要从特斯拉发明交流电动机说起。

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图1 尼古拉·特斯拉(图片来源:维基百科)


19世纪下半叶,以电能开发和应用为标志的第二次技术革命——电力技术革命极大地改变了人们的生产生活方式,使人类社会开始步入电气化时代。而特斯拉为电力技术革命作出了非常重要的贡献,他的发明专利和理论研究工作为现代交流电系统奠定了基础。1882年,特斯拉发现了旋转磁场,即磁感应矢量在空间以固定频率旋转的一种磁场,它是电能和转动机械能之间相互转换的基本条件,在交流电机、测量仪表等装置中得到广泛应用。之后经过多年反复试验,特斯拉于1887年发明了第1台交流感应电动机。但是由于当时使用的几乎都是直流电,而且旋转磁场也无法用肉眼直接观察到,因此特斯拉必须想出非常直观有效的方法让投资人充分理解旋转磁场,并相信由其驱动的交流电动机将有实际的应用价值和商业价值,于是“哥伦布蛋”登场了。

一次会议上,特斯拉向投资人说起哥伦布巧立鸡蛋的故事。原来意大利航海家克里斯托弗·哥伦布发现新大陆之后,有些人对他不相信,甚至讽刺挖苦,为了驳斥嘲笑者,哥伦布才将别人无法立起的鸡蛋打破一头立了起来。特斯拉向投资人提议,如果他能够比哥伦布做得更好,不打破蛋壳就将蛋立起来,那么就请投资人为他的交流电动机项目投资。投资人对此也颇感兴趣,于是欣然答应。

随后特斯拉便忙活起来,他把4个线圈绕在1个环形铁芯上,线圈两两相对(如图2左上角小图所示),并将其固定在1个木盘下,同时他还制作了1个铜蛋和几个铜球。当投资人再次来到实验室时,特斯拉把铜蛋和铜球都放到木盘里,并在木盘下的线圈中通入两相交流电。此时令人惊奇的事情发生了,铜蛋和铜球好像受到了魔法的驱动似的快速旋转起来,并且随着转速不断加快,原来躺着旋转的铜蛋竟然自己竖立了起来。当在场的人都被惊得目瞪口呆时,特斯拉向大家解释说,其实这不是什么魔法,而是木盘下线圈所产生的旋转磁场使铜蛋和铜球旋转起来,而交流电动机也正是靠旋转磁场驱动的。结果大家一定都猜到了,特斯拉如愿以偿地得到了他所需要的投资,进一步对交流电进行更加深入地研究,并取得了巨大的成功。实际上,今天在全世界被广泛使用的现代交流电系统,正是在特斯拉的众多研究成果上发展起来的。

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图2 特斯拉的哥伦布蛋原理示意图(图片来源:tesla universe)


听完特斯拉的哥伦布蛋实验的故事,是不是很想亲眼看看这个有趣的装置?到中国科技馆常设展厅2层“探索与发现”A厅,你就能在“电磁之奥”展区看到经过改良后的“哥伦布蛋”展品,而且你可以通过亲手操作,使“哥伦布蛋”竖立起来,这件展品的名字叫做“旋转的银蛋”。

如图3所示,在椭圆形展台上设置有2个透明的有机玻璃圆盘,其中1个圆盘中放有1个银色的金属蛋,这就是我们的“哥伦布蛋”了,在这里我们称它为“银蛋”。按下圆盘前的“启动”按钮为展品通电,就像我们前面所描述的特斯拉的“哥伦布蛋”一样,银蛋开始转动,并且随着转速的增加银蛋会自己竖立起来。此时按下“反向”按钮,银蛋会很快停下来,随后开始反向旋转,并再次竖立起来。

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图3 展品“旋转的银蛋”


那么是什么使银蛋在圆盘中快速旋转呢?你一定会脱口而出“旋转磁场”!对,就是旋转磁场。透过有机玻璃圆盘你会看到,在其下方安装有1个绕有线圈的环形铁芯,与我们上面所介绍的特斯拉的装置非常相像,所不同的是这里只有3个线圈,互成120°夹角缠绕在铁芯上(如图4所示)。按下“启动”按钮后,线圈中将通以三相交流电(大小和方向都随时间周期性变化的电流,叫做交变电流,简称交流。频率相同而相位彼此差120°的三个交流电,叫做三相交流电,简称三相电。产生三相电的每个线圈叫做一相),而不是特斯拉所使用的两相交流电,这主要是因为现在被全世界广泛使用的是三相交流电,因此在这里使用三相电会更加方便,而且也更有利于对现代交流电系统的相关知识进行介绍和展示。

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图4 互成120°夹角缠绕在铁芯上的3个线圈


三相交流电和两相交流电所产生旋转磁场的原理是完全一样的,因此这件展品可以很好地模拟特斯拉的“哥伦布蛋”。线圈中通入三相交流电后,会在其周围的空间中生成旋转磁场,而银蛋是闭合的导体,旋转磁场会在金属蛋中产生感应电流,由于该电流的流线成闭合的涡旋状,因此也被称为“涡电流”,简称“涡流”。楞次定律告诉我们,闭合回路中感应电流的方向总是使得它所激发的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化,所以感应电流的磁场要阻碍旋转磁场的变化,正是这两个磁场的相互作用使银蛋旋转起来。而按下“反向”按钮,则会将三相交流电中的任意两相对调,此时旋转磁场的转向随之反转过来。在反向旋转磁场的作用下银蛋将很快停下来,而后开始反向转动。工业中被广泛使用的三相感应电动机就是利用三相电所产生的旋转磁场工作的。银蛋之所以在旋转过程中能竖立起来,则是因为对其内部进行了特殊处理,使质量分布不均匀,因此当其快速旋转时,在离心力、重力及摩擦力的联合作用下便竖立了起来。

看到这里你可能会问,展品右边的有机玻璃圆盘和左边的那个有什么不同吗?它是用来做什么的?其实这两个圆盘及其下面线圈的结构几乎完全相同,只不过右边的线圈没有换相电路,这个圆盘是让大家利用自己所带的一些物品亲手做一些小实验用的。比如,在为线圈通电后,你可以把1分、2分或5分的硬币投入其中,你将看到硬币在弹跳几下后会竖立着快速旋转,当然这也是由三相交流电产生的旋转磁场的作用形成的现象。不过抛硬币也需要一定的技巧,并不是每次都能让硬币旋转起来,没关系,多试几次就好了。另外,如果你身上正好带着指南针,那么把它放到托盘中,接通电源后,你会看到指南针在旋转磁场的驱动下,快速转动。

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