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(dòng)的過程。之所以將這段視頻看完，是因?yàn)樵谏蟼€(gè)月初，在 山東大學(xué)開智能車競賽技術(shù)研討會(huì)[2] 時(shí)，中午去千佛山游覽圖中也看到過這種玩具，手動(dòng)撥動(dòng)它，猜想其中的驅(qū)動(dòng)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

天體搖擺儀的原型金屬框底部有一個(gè)永磁鐵，受到底部中電磁鐵的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生持續(xù)的擺動(dòng)。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(gè)電磁鐵和它底部的驅(qū)動(dòng)電路板。

電磁鐵具有兩個(gè)繞組，使用萬用表可以測量到兩個(gè)繞組的直流電阻分別是 2000Ω和 25Ω。假設(shè)兩個(gè)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(gè)繞組的匝數(shù)大概是 80:1。

▲ 底座上的電磁鐵和它的驅(qū)動(dòng)電路

最為不尋常的是電磁鐵非常簡單的驅(qū)動(dòng)電路，上面就只有一個(gè)有源器件。視頻中作者經(jīng)過測量確定這個(gè)器件是一個(gè) NPN 型的三極管。與繼電器三個(gè)繞組、驅(qū)動(dòng)電源之間的連接電路如下圖所示：

▲ 驅(qū)動(dòng)電路

在這個(gè)驅(qū)動(dòng)電路中，NPN 型三極管并沒有進(jìn)行 b-e 偏置，因此靜態(tài)時(shí)它是截止的，整個(gè)電路是不消耗電能的。

視頻作者在后面的分析中講解到，當(dāng)搖擺的永磁鐵在靠近電磁鐵時(shí)，會(huì)在電磁鐵中線圈感應(yīng)出電動(dòng)勢，當(dāng)它超過三極管 b-e 之間的導(dǎo)通電壓，便會(huì)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(qiáng)了，使得三極管飽和導(dǎo)通。此時(shí)電磁鐵產(chǎn)生吸力吸引永磁鐵加速靠近。

▲ 視頻作者分析電路工作原理

當(dāng)永磁鐵經(jīng)過最低點(diǎn)開始遠(yuǎn)離電磁鐵磁芯時(shí)，電磁鐵內(nèi)部的感應(yīng)電動(dòng)勢開始反向，這會(huì)使得三極管有導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止，電磁鐵失去勵(lì)磁電流。所以在永磁鐵離開時(shí)，電磁鐵不產(chǎn)生吸引力。于是在電磁鐵的驅(qū)動(dòng)下，固定有永磁鐵的天體搖擺儀便產(chǎn)生周期擺動(dòng)。

▲ 增加了顯示三極管導(dǎo)通狀態(tài)的 LED 電路

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(gè)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(dòng)過程中，三極管導(dǎo)通的變化。

▲ 慢鏡頭顯示 LED 閃爍與金屬框運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

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(huì)發(fā)現(xiàn)還是會(huì)使人產(chǎn)生更多的疑問：

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1. 問題一：

永磁鐵在靠近電磁鐵時(shí)，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(shí)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(huì)抵消永磁鐵引起的磁通量的變化。此時(shí)，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。

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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(dòng)呢？

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3. 問題三：

各種摩擦力、空氣的阻尼力都會(huì)消耗天體擺動(dòng)儀中的機(jī)械動(dòng)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(dòng)儀金屬框架的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能。那么電能到機(jī)械能能的轉(zhuǎn)換過程是什么呢？

▲ 天體搖擺儀運(yùn)行過程

實(shí)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(diǎn)的電壓、電流波形給出，便可以對電路工作原理進(jìn)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(gè)天體搖擺儀。也許下一次再看到景區(qū)出售這個(gè)桌面擺件時(shí)，應(yīng)該購買一個(gè)。

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參考資料

[1]神奇的天體搖擺儀: https://www.ixigua.com/6902320140856230403/

[2]山東大學(xué)開智能車競賽技術(shù)研討會(huì): 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