2013年2月22日

生活科學-電磁-人力發電盤(電磁感應)


科學遊戲中霸天曾秋雲老師2011年九月份的台東能源教具研習前一晚的夜間交流中,交給我一項她新添購的行頭,是用來裝在腳踏車車輪上的發光器,而且老闆推銷時號稱不用電池,是嶄新的能源產品。
裝在腳踏車車輪上的發光器,車輪轉動的時候兩側的LED才會發光
一個要價五~六百元,不是很便宜的東西

針對裡面的構造,科學論壇一群人在泡茶桌周圍七嘴八舌地討論,研究裡面的構造。最後討論的點轉到裡面的線圈分佈與纏繞方式。但是由於現場沒有工具,所以最後交給我帶回來,我的唯一任務就是拆了它,搞清楚這新買的東西裡面發光的秘訣。
把上蓋打開之後,發現有兩大部分所組成-線圈和磁鐵
而且磁鐵的分布還蠻有意思的

其實,這都要向電學之父-法拉第致意,目前一切機械發電的原理都是利用線圈中的磁通量發生變化,而產生感應電流。事實上,在法拉第的電磁感應理論形成之前,法拉第就已經發明了世界上第一顆馬達(Faraday Motors)。

我們所使用的發電裝置裡面不外乎場磁鐵與電樞(線圈)等主要部份,所以在這個號稱新穎的產品中,應該可以發現這些元件的存在。首先映入眼簾的就是比較簡單的場磁鐵,顧名思義,這就是提供磁場的磁鐵。
一顆顆磁鐵以固定的角度間隔排列整齊,為了求得較大的磁通量變化
採用了十數顆強力釹鐵錋磁鐵環繞在外,磁場變化會又快又大

線圈內因為電磁感應而產生感應電流,這些感應電流匯集起來之後使LED發光
線圈與LED之間以免焊接的杜邦端子(白色方形物體)連結著

但是由於強力磁鐵會與具有磁性的不鏽鋼(另外也有不具磁性的不鏽鋼,取決於合金的成分比例與結構)相互吸引,所以轉動的時候,有一部分的力量必須要克服因為磁力(正向力)而形成的摩擦力,不過還好腳的力量還算蠻大的,所以相較之下,摩擦力勉強可以忽略,產生的感應電流所負載的能量也較能完全地傳達給LED使用。
再把底座拆掉之後,剩下的就是線圈的部分
整個構造上是屬於磁鐵轉動而線圈不動的形式,所以類似無電刷形式的發電機

為了求得較大的磁通量變化,所以線圈一定要垂直於磁力線,雖然線圈被包覆在紅色的絕緣膠膜中,但可以想見的是,內部線圈一定是一捆又一捆地輻射狀排列,各線圈間彼此並聯,將各線圈中的感應電流匯集而成較大電流,最後才供應給LED發光,而且使得LED一閃一閃的亮著。
以上下兩層不鏽鋼片所夾合,交錯保護著內部的線圈,中間接縫以電銲槍黏死
如果硬要拆解,只會使外框變形,而且要用電焊的方式才能黏合回去

其實馬達和發電機是一體兩面的,就像化學反應中的可逆反應一樣。只不過沒有電刷的無刷馬達是磁鐵在軸心轉動,而線圈在外固定著,而這組無刷發電機剛好相反。此外,無刷馬達內部因為沒有電刷及整流器,所以不會像有刷馬達般在電刷處產生摩擦熱及接觸面耗損的問題,所以常常使用在一些精密且需要低震動、低噪音的電器中。

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