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[摘要]自1831年英国物理学家法拉第发现电磁感应现象以来，以电磁感应定律为基础的发电机渐渐的走进了人们的生活。近几年来，以方便环保著称的电动自行车大受群众的欢迎，现在就让我们走进电动自行车的结构，走进它的核心部件，来看看它的工作原理是怎样的。
[关键词]电动自行车 电磁感应定律 发电机
[中图分类号]O4 [文献标识码]A
电动自行车是近年来渐渐为人们所熟知的新型交通工具之一，它是一种方便快捷，安全环保的产品。在建设环保节能型社会的今天，电动自行车的出现及发展给当前的环保形势带来了很大的惊喜。通过对电动自行车器件的实物解剖，查阅与之相关的理论文献，多次的走访电动自行车销售商，并且在此基础上与有关专家进行讨论交流，对于电动自行车的结构和原理有了比较深刻的认识。本文将从电动自行车的主要部件入手，来探析它的结构特点与工作原理。
一、电动自行车的构造
我们生活中常见的电动自行车主要部件包括四个方面：
1.蓄电装置：即蓄电池，电池是提供电动自行车能量的直接来源。目前的电动自行车主要采用铅酸蓄电池组，当蓄电池的电量充足时，可以直接驱动传动装置，进而带动主动轮，通过主动轮的转动使车行驶。
2.传动装置：蓄电池的电能带动传动装置的电动机，使传动杆驱动主动轮，实现车的行驶。电动自行车传动装置包括支撑杆、传动机构、支架及齿轮胎。支撑杆为叉状，其内部设有一小截张力弹簧，在它的开口端有锥状螺纹并设有切口。其中穿设有一个直径较小的、可在支撑杆内伸缩的圆杆，而且设有调节伸缩长度后用以锁定的螺母，圆杆的另一端锁定于传动机构的外壳上。具有外壳的传动机构内设有对转式马达，马达含有转子并设有动力输出轴，轴心上有同轴的齿轮并啮合成变速齿轮，在变速齿轮上设有与其同轴的带动轮，带动轮含有凸出的齿、摩擦面及其主轴。在主轴上套设有另一变速齿轮并啮合反向的变速齿轮，带动齿轮。圆盘一端固定于自行车后轮轮轴上的支架上，另一端固定于传动机构的外壳；齿轮胎在其胎面或两侧的胎壁环上设有与带动轮凸齿相啮合的凸点。
3.发电装置： 即发电机，这是以备电池电量不足时之需。当蓄电池电量过低不足以驱动传动装置时，可以通过踏板骑行，踏板的运动带动转轴使发电机中的线圈在永磁铁中转动，进而产生感应电流（后文将做详细的讨论），对蓄电池进行充电。
4.充电装置：即充电器，充电器是给蓄电池补充电能的装置，对于电动自行车来说，一般分为二阶充电模式和三阶充电模式。二阶段充电模式为先恒压充电，充电电流随电池电压上升逐渐减小，等电池电压补充到充电器的设定值之后，转化为涓流充电。三阶段充电模式：充电开始时先恒流充电，迅速给电池补充能量，等电池电压上升后转为恒压充电，此时电池能量缓慢补充，电池电压继续上升，达到充电器的充电终止电压值时，转为涓流充电，以保养电池和供给电池的自放电电流。
二、电动自行车的发电机
发电机的主要构件有：定子，永磁体，线圈，电刷等，通过各部件之间的衔接与配合来现发电的目的，其主要原理是法拉第电磁感应定律。电磁感应现象是物理学中最重大的发现之一，它揭示了电、磁现象之间的相互联系。根据电磁感应的原理，人们制造出了发电机，让电能的大规模生产和远距离输送成为了可能。电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用。其中电气时代的诞生就是以法拉第电磁感应规律为基础的电磁学理论，这在历史上被称为“第二次工业革命”。
由电磁学的知识，电动势分为动生电动势和感生电动势两种 。通俗的讲，动生电动势是由线圈在磁感应强度不变的磁场中转动，切割磁力线引起线圈中磁通量变化产生的；而感生电动势是由于磁场的变化引起线圈中的磁通量变化产生的。下面我们就以交流发电机单匝线圈为例，来讨论发电机的工作情况，并计算由此产生的动生电动势大小。
如图(1)所示，NS分别为永磁体的两极，abcd为其中的线圈，线圈由主轴穿插其中，当线圈在脚踏板所连接的传动装置的转动下转动时，由ab边和cd边切割NS之间的磁力线。对于闭合线圈，根据法拉第电磁感应定律可知，在线圈中会形成感应电流。图(1)中的AB为一电刷，其目的是避免输出的两根导线因线圈的转动而交叉搅在一起，由此便可实现机械能转换为电能的目的，这就是发电机原理。发出的电经过稳流器可以的到稳恒的电流，再通过蓄电池可以将电能储存起来，为主动轮供电。
如图（2），当线圈转动时，可以计算出其感生电动势的大小，具体如下：
设线圈转动的角速度为ω，ab边距中心轴的距离为r，磁感应强度为B，ab边的线速度大小为υ=ωr，ab边长为 ，则线圈法线方向n与磁场B之间的夹角θ=ωt，线圈的面积S=2rl，t为转动的时间，由此可得N匝线圈的动生电动势为：
三、电动自行车的铅酸蓄电池
同大多数车一样，电动自行车采用的是铅酸蓄电池，其具体的情况为：铅酸蓄电池用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用1.28％的稀硫酸作电解质。在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅酸蓄电池是能反复充电、放电的电池，称为二次电池，但在使用一段时间后要补充蒸馏水，使电解质保持在含有22%～28％的稀硫酸的状态。其电极反应如下：
放电时，正极反应为:PbO2+4H++ SO42-+2e-=PbSO4+ 2H2O
负极反应为: Pb+SO42--2e-=PbSO4
总反应为: PbO2+Pb+2H2SO4===2PbSO4+2H2O
(向右反应是放电,向左反应是充电)
充电时，阴极反应为：PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+ 2H2O
阳极反应为：Pb+SO42--2e-= PbSO4
总反应为: PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O
四、电动自行车速度调节器
为了方便操作，现在的电动自行车都采用手动式控制设备，告别以往的脚踩式调速器，其实质都是滑动变阻器，只不过使用的方式略有差别。通过转动手柄改变电阻的大小进而调节电流的大小，从而影响功率。
五、结语
以上几个方面分别介绍了电动自行车的主要部件及其工作原理，让读者对电动车的结构有了一个定性及半定量的认识。生活是最好的课堂，在生活中我们可以见到许多类似于电动自行车这样蕴含丰富知识的实物器件，为了探求大千世界的奥秘，我们有必要对自己身边的事物多加研究。历史上很多大的成就，像莱特兄弟发明的飞机，爱迪生多次试验制成的钨丝电灯等等，他们都是对生活，对知识充满期待，认真思考大胆尝试最终获得成功的典范，我想这些都是值得我们认真学习和向往的。
也许在日常的生活之中我们并没有对一些常见的物品做一些细致的分析，但我相信只要有兴趣，有好奇心，生活中的很多东西都有它值得我们探究的地方，而这些探究当中所运用的知识和所获得的知识都将会成为你永恒的智慧。科学技术是第一生产力”，当今的社会是一个知识爆炸的时代，从电动自行车的原理来看，只有知识联系实际，大胆创新，才能提升国家的竞争力，才能够让科学更好的服务世界，服务人类的日常生活，进而推动社会的进步与发展。
基金项目：襄樊学院2011年大学生科研项目基金资助
[参考文献]
[1]印永嘉,奚正楷,李大珍编著.《物理化学简明教程》[M],北京：高等教育出版社,1992
[2]陈秉乾,王稼军编著.《大学物理通用教程电磁学》[M],北京：北京大学出版社2003.5,219-223
[3]万洪文,詹正坤主编．《物理化学》[M]，北京：高等教育出版社，2002.7,500-501
（作者单位：1.襄樊学院物理与电子工程学院,2.襄樊学院理工学院机械系 湖北襄阳）
[关键词]电动自行车 电磁感应定律 发电机
[中图分类号]O4 [文献标识码]A
电动自行车是近年来渐渐为人们所熟知的新型交通工具之一，它是一种方便快捷，安全环保的产品。在建设环保节能型社会的今天，电动自行车的出现及发展给当前的环保形势带来了很大的惊喜。通过对电动自行车器件的实物解剖，查阅与之相关的理论文献，多次的走访电动自行车销售商，并且在此基础上与有关专家进行讨论交流，对于电动自行车的结构和原理有了比较深刻的认识。本文将从电动自行车的主要部件入手，来探析它的结构特点与工作原理。
一、电动自行车的构造
我们生活中常见的电动自行车主要部件包括四个方面：
1.蓄电装置：即蓄电池，电池是提供电动自行车能量的直接来源。目前的电动自行车主要采用铅酸蓄电池组，当蓄电池的电量充足时，可以直接驱动传动装置，进而带动主动轮，通过主动轮的转动使车行驶。
2.传动装置：蓄电池的电能带动传动装置的电动机，使传动杆驱动主动轮，实现车的行驶。电动自行车传动装置包括支撑杆、传动机构、支架及齿轮胎。支撑杆为叉状，其内部设有一小截张力弹簧，在它的开口端有锥状螺纹并设有切口。其中穿设有一个直径较小的、可在支撑杆内伸缩的圆杆，而且设有调节伸缩长度后用以锁定的螺母，圆杆的另一端锁定于传动机构的外壳上。具有外壳的传动机构内设有对转式马达，马达含有转子并设有动力输出轴，轴心上有同轴的齿轮并啮合成变速齿轮，在变速齿轮上设有与其同轴的带动轮，带动轮含有凸出的齿、摩擦面及其主轴。在主轴上套设有另一变速齿轮并啮合反向的变速齿轮，带动齿轮。圆盘一端固定于自行车后轮轮轴上的支架上，另一端固定于传动机构的外壳；齿轮胎在其胎面或两侧的胎壁环上设有与带动轮凸齿相啮合的凸点。
3.发电装置： 即发电机，这是以备电池电量不足时之需。当蓄电池电量过低不足以驱动传动装置时，可以通过踏板骑行，踏板的运动带动转轴使发电机中的线圈在永磁铁中转动，进而产生感应电流（后文将做详细的讨论），对蓄电池进行充电。
4.充电装置：即充电器，充电器是给蓄电池补充电能的装置，对于电动自行车来说，一般分为二阶充电模式和三阶充电模式。二阶段充电模式为先恒压充电，充电电流随电池电压上升逐渐减小，等电池电压补充到充电器的设定值之后，转化为涓流充电。三阶段充电模式：充电开始时先恒流充电，迅速给电池补充能量，等电池电压上升后转为恒压充电，此时电池能量缓慢补充，电池电压继续上升，达到充电器的充电终止电压值时，转为涓流充电，以保养电池和供给电池的自放电电流。
二、电动自行车的发电机
发电机的主要构件有：定子，永磁体，线圈，电刷等，通过各部件之间的衔接与配合来现发电的目的，其主要原理是法拉第电磁感应定律。电磁感应现象是物理学中最重大的发现之一，它揭示了电、磁现象之间的相互联系。根据电磁感应的原理，人们制造出了发电机，让电能的大规模生产和远距离输送成为了可能。电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用。其中电气时代的诞生就是以法拉第电磁感应规律为基础的电磁学理论，这在历史上被称为“第二次工业革命”。
由电磁学的知识，电动势分为动生电动势和感生电动势两种 。通俗的讲，动生电动势是由线圈在磁感应强度不变的磁场中转动，切割磁力线引起线圈中磁通量变化产生的；而感生电动势是由于磁场的变化引起线圈中的磁通量变化产生的。下面我们就以交流发电机单匝线圈为例，来讨论发电机的工作情况，并计算由此产生的动生电动势大小。
如图(1)所示，NS分别为永磁体的两极，abcd为其中的线圈，线圈由主轴穿插其中，当线圈在脚踏板所连接的传动装置的转动下转动时，由ab边和cd边切割NS之间的磁力线。对于闭合线圈，根据法拉第电磁感应定律可知，在线圈中会形成感应电流。图(1)中的AB为一电刷，其目的是避免输出的两根导线因线圈的转动而交叉搅在一起，由此便可实现机械能转换为电能的目的，这就是发电机原理。发出的电经过稳流器可以的到稳恒的电流，再通过蓄电池可以将电能储存起来，为主动轮供电。
如图（2），当线圈转动时，可以计算出其感生电动势的大小，具体如下：
设线圈转动的角速度为ω，ab边距中心轴的距离为r，磁感应强度为B，ab边的线速度大小为υ=ωr，ab边长为 ，则线圈法线方向n与磁场B之间的夹角θ=ωt，线圈的面积S=2rl，t为转动的时间，由此可得N匝线圈的动生电动势为：
三、电动自行车的铅酸蓄电池
同大多数车一样，电动自行车采用的是铅酸蓄电池，其具体的情况为：铅酸蓄电池用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用1.28％的稀硫酸作电解质。在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅酸蓄电池是能反复充电、放电的电池，称为二次电池，但在使用一段时间后要补充蒸馏水，使电解质保持在含有22%～28％的稀硫酸的状态。其电极反应如下：
放电时，正极反应为:PbO2+4H++ SO42-+2e-=PbSO4+ 2H2O
负极反应为: Pb+SO42--2e-=PbSO4
总反应为: PbO2+Pb+2H2SO4===2PbSO4+2H2O
(向右反应是放电,向左反应是充电)
充电时，阴极反应为：PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+ 2H2O
阳极反应为：Pb+SO42--2e-= PbSO4
总反应为: PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O
四、电动自行车速度调节器
为了方便操作，现在的电动自行车都采用手动式控制设备，告别以往的脚踩式调速器，其实质都是滑动变阻器，只不过使用的方式略有差别。通过转动手柄改变电阻的大小进而调节电流的大小，从而影响功率。
五、结语
以上几个方面分别介绍了电动自行车的主要部件及其工作原理，让读者对电动车的结构有了一个定性及半定量的认识。生活是最好的课堂，在生活中我们可以见到许多类似于电动自行车这样蕴含丰富知识的实物器件，为了探求大千世界的奥秘，我们有必要对自己身边的事物多加研究。历史上很多大的成就，像莱特兄弟发明的飞机，爱迪生多次试验制成的钨丝电灯等等，他们都是对生活，对知识充满期待，认真思考大胆尝试最终获得成功的典范，我想这些都是值得我们认真学习和向往的。
也许在日常的生活之中我们并没有对一些常见的物品做一些细致的分析，但我相信只要有兴趣，有好奇心，生活中的很多东西都有它值得我们探究的地方，而这些探究当中所运用的知识和所获得的知识都将会成为你永恒的智慧。科学技术是第一生产力”，当今的社会是一个知识爆炸的时代，从电动自行车的原理来看，只有知识联系实际，大胆创新，才能提升国家的竞争力，才能够让科学更好的服务世界，服务人类的日常生活，进而推动社会的进步与发展。
基金项目：襄樊学院2011年大学生科研项目基金资助
[参考文献]
[1]印永嘉,奚正楷,李大珍编著.《物理化学简明教程》[M],北京：高等教育出版社,1992
[2]陈秉乾,王稼军编著.《大学物理通用教程电磁学》[M],北京：北京大学出版社2003.5,219-223
[3]万洪文,詹正坤主编．《物理化学》[M]，北京：高等教育出版社，2002.7,500-501
（作者单位：1.襄樊学院物理与电子工程学院,2.襄樊学院理工学院机械系 湖北襄阳）