This past week, thanks to Laughing

This past week, thanks to Laughing Squid and other sources, a lot of people watched and were amazed by this simple demonstration of electromagnetism in action.


It is billed as the “world’s simplest electric train,” and it is almost certainly the case. Using only a battery, some strong magnets and some (bare) coiled copper wire, one can make the “train” travel numerous circuits through the copper “track,” until the battery is completely drained.

This caught my attention because it is a very clever twist on one of Michael Faraday’s original discoveries! Not electromagnetic induction, as I reflexively thought, but a homopolar motor. Below is an animation of such a motor that I whipped up in my office.

A simple homopolar motor.
A simple homopolar motor. Just in case you don’t believe it actually works, a longer video is here.

This particular homopolar motor design is ridiculously simple: a pair of neodymium magnets are stuck (by magnetic force only) to the bottom of an AA battery. A wire loop is balanced on the top of the battery, bent so that it touches the magnets on the bottom. When the connection is made, the wire will start to spin immediately, and will in general start spinning so fast that it will flip itself off of its perch. More sophisticated and stable designs exist, but this one is quick and showy.

So how does the homopolar motor work, and the “magneto-electric” train shown in the video? Both of them depend on the relationship between moving electric charges and magnetism, albeit in somewhat different ways.


Our story begins at the birth of what we now call “electromagnetism,” the beginning of a theory of nature that considers electricity and magnetism to be inextricably linked. It began in 1820, when the Danish physicist Hans Christian Oersted demonstrated that a magnetic compass needle can be deflected by an electric current, proving that moving electrical charges produce a magnetic field. Before this stunning experiment, it was generally assumed that electricity and magnetism were two completely separate physical phenomena.

What Oersted discovered, in essence, is that electricity flowing through a long straight wire creates a circulating magnetic field around it, as illustrated below.

A few of the magnetic field lines around an electrical current, I, in a really long wire.
A few of the magnetic field lines around an electrical current, I, in a really long wire.

For those unfamiliar with this graphical depiction of “fields,” I have written a “basics” post on the subject. One should picture these fields circulating around the wire at all heights and distances, being denser closer to the wire. Without going into too much detail how we know this, we note that the B-field represents a field of force that interacts with any permanent magnet brought nearby. Such a permanent magnet will tend to do two things in a magnetic field: it will rotate to line up its North Pole with the field lines, and it will be drawn into a region with a stronger field, i.e. denser collection of field lines.

The field lines circulate around an electrical current in a sense that can be determined by the “right-hand rule”: pointing the thumb of your right hand in the direction of the current, the field lines will circulate in a sense determined by your fingers.

We can use this right-hand rule to also describe the fields around a loop of circulating current; in such a case, the field lines appear roughly as shown below.

The field of a magnetic dipole.
The field of a magnetic dipole.

Once we’ve made a closed loop, the field lines are fundamentally different from the straight wire. The field lines of the long wire have a handedness — that is, they circulate around in a right-handed sense — but they do not have a “side” to them. The loop, however, has what we might call a “top” and a “bottom” or, more appropriately, a “North” and “South” pole. The North side of the loop is the side from which the field lines emanate, while the South side is the side into which the field lines pass. This loop has two poles, and is therefore referred to as a dipole.

This language of poles is suggestive of a regular bar magnet and the magnetic Earth, and that is of course the point — to a good approximation, a loop of current, the Earth, and a simple bar magnet all have a similar dipole field structure. For instance, here’s a sketch of the magnetic field of the Earth, with corresponding bar magnet superimposed.

The Earth as a gigantic bar magnet. Note that magnetic North (the magnet's South pole) is angled from the true North pole. (source)
The Earth as a gigantic bar magnet. Note that magnetic North (the magnet’s South pole) is angled from the true North pole. (source)

The takeaway lesson here is that a loop of current will behave pretty much the same as an ordinary permanent magnet; that is, North and South poles will attract, while North-North and South-South combinations will repel.

This immediately gives us a simp

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

สัปดาห์ที่ผ่านมา ขอบคุณหมึกหัวเราะและแหล่งอื่น ๆ มีคนดู และประหลาดใจ โดยการสาธิตง่าย ๆ ดอลลี่ในการดำเนินการมันจะเรียกเก็บเงินเป็น "ของโลกที่ง่ายที่สุดไฟฟ้ารถไฟ" และเป็นเกือบแน่นอนกรณี ใช้เฉพาะแบตเตอรี่ แม่เหล็กบางแข็งแกร่ง และลวดทองแดงขดบาง (เปลือย) หนึ่งสามารถทำให้ "รถไฟ" เดินวงจรจำนวนมากผ่านการทองแดง "ติดตาม จนกว่าแบตเตอรี่ถูกใช้จนหมดนี้จับความสนใจของฉัน เพราะมันเป็นเกลียวฉลาดมากในการค้นพบต้นฉบับของฟาราเดย์ Michael อย่างใดอย่างหนึ่ง เหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ ขณะที่ผม reflexively คิดไป แต่มอเตอร์ homopolar ด้านล่างเป็นภาพเคลื่อนไหวของมอเตอร์ที่ฉันวิปขึ้นในสำนักงานมอเตอร์ homopolar ง่ายมอเตอร์ homopolar ง่าย ในกรณีที่คุณไม่เชื่อมันใช้งานได้จริง วิดีโออีกต่อไปนี่นี้เฉพาะ homopolar ออกจะง่ายขัน: คู่แม่เหล็กนีโอไดเมียติด (โดยแรงแม่เหล็กเท่านั้น) ที่ด้านล่างของแบตเตอรี่ AA ที่ใช้ ห่วงลวดมีความสมดุลด้านบนของแบตเตอรี่ งอเพื่อให้สัมผัสแม่เหล็กที่ด้านล่าง เมื่อทำการเชื่อมต่อ สายจะเริ่มหมุนทันที และโดยทั่วไปจะเริ่มปั่นอย่างรวดเร็วมันจะพลิกตัวเองออกจากเกาะของ ออกแบบที่ทันสมัย และมีเสถียรภาพมากขึ้น แต่นี้ เป็นฉูดฉาดดังนั้น วิธีทำงานมอเตอร์ homopolar และรถไฟ "เครื่องไฟฟ้า" ที่ปรากฏในวิดีโอ ทั้งสองอย่างขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ระหว่างค่าไฟฟ้าเคลื่อนแม่เหล็ก แม้ว่าในรูปแบบที่แตกต่างเรื่องราวของเราเริ่มต้นที่การเกิดของสิ่งที่เราเรียก "ดอลลี่ จุดเริ่มต้นของทฤษฎีของธรรมชาติที่พิจารณาว่าไฟฟ้าและแม่เหล็ก inextricably ลิงค์ มันเริ่มใน 1820 เมื่อนักฟิสิกส์เดนมาร์ก Hans Oersted คริสเตียนแสดงให้เห็นว่า สามารถนั้นเข็มเข็มทิศแม่เหล็ก ด้วยกระแสไฟฟ้า พิสูจน์ว่า ค่าไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ผลิตสนามแม่เหล็ก ก่อนทดลองที่สวยงามนี้ มันถูกโดยทั่วไปสันนิษฐานว่า ไฟฟ้าและแม่เหล็กถูกสองปรากฏการณ์ทางกายภาพที่แยกทั้งหมดOersted พบ สำคัญ มีอะไรที่ไฟฟ้าไหลผ่านเส้นลวดยาวตรงที่สร้างสนามแม่เหล็กหมุนเวียนรอบ ดังที่แสดงด้านล่างกี่เส้นสนามแม่เหล็กรอบตัวกระแสไฟฟ้า,,ในสายยาวจริง ๆกี่เส้นสนามแม่เหล็กรอบตัวกระแสไฟฟ้า,,ในสายยาวจริง ๆสำหรับผู้ที่ไม่คุ้นเคยกับนี้แสดงให้เห็นภาพของ "เขตข้อมูล" ฉันได้เขียนโพสต์ "พื้นฐาน" ในเรื่อง หนึ่งควรรูปภาพฟิลด์เหล่านี้หมุนเวียนรอบ ๆ ลวดความสูงและระยะทาง การให้เข้มขึ้นใกล้กับสาย โดยไม่ต้องลงในรายละเอียดมากเกินไปเรารู้ เราหมายเหตุว่า ฟิลด์ B แสดงถึงแรงของฟิลด์ที่โต้ตอบกับแม่เหล็กถาวรใด ๆ มาใกล้เคียง แม่เหล็กถาวรแบบดังกล่าวจะมีแนวโน้มการ ทำในสนามแม่เหล็ก: มันจะหมุนไปขึ้นขั้วโลกเหนือกับเส้น และจะถูกดึงเข้าสู่ภูมิภาคมีเขตปลอดภัย ให้เข้มขึ้นเช่นชุดของเส้นเส้นระบายรอบมีกระแสไฟฟ้าในความรู้สึกที่สามารถถูกกำหนด โดย "กฎขวา": ชี้นิ้วหัวแม่มือของมือขวาในทิศทางของปัจจุบัน เส้นจะไหลเวียนในความรู้สึกไปตามนิ้วมือของคุณเราสามารถใช้กฎนี้ขวายัง อธิบายเขตข้อมูลรอบการวนรอบของการหมุนเวียนปัจจุบัน ในกรณี เส้นปรากฏประมาณดังแสดงด้านล่างฟิลด์ของ dipole แม่เหล็กฟิลด์ของ dipole แม่เหล็กเมื่อเราทำการวนรอบปิด เส้นมีพื้นฐานที่แตกต่างจากสายตรง เส้นลวดยาวได้เป็นมือข้างที่ถนัด — คือ พวกเขาพริ้นในความถนัด — แต่จะไม่มี "ด้าน" พวกเขา วน อย่างไรก็ตาม มีอะไรที่เราอาจเรียก "บนสุด" และ "ล่าง" หรือ เหมาะ เสา "เหนือ" และ "ภาคใต้" ด้านทิศเหนือของวนรอบเป็นด้านที่มาเส้น ในขณะที่ด้านทิศใต้เป็นด้านที่เส้นผ่าน วนรอบนี้มีสองเสา และดังนั้นจึงเรียกว่า dipoleเป็นการชี้นำของปกติแถบแม่เหล็กและแม่เหล็กโลกภาษาของเสา และที่แน่นอนจุด — ประมาณดี วงเวียน โลก และง่ายแถบแม่เหล็ก มีโครงสร้างคล้าย dipole ฟิลด์ เช่น นี่คือร่างของสนามแม่เหล็กของโลก มีตรงแถบแม่เหล็กซ้อนโลกเป็นยักษ์แถบแม่เหล็ก หมายเหตุที่เหนือแม่เหล็ก (ขั้วโลกใต้ของแม่เหล็ก) เป็นมุมจากขั้วโลกเหนือจริง (ต้นทาง)โลกเป็นยักษ์แถบแม่เหล็ก หมายเหตุที่เหนือแม่เหล็ก (ขั้วโลกใต้ของแม่เหล็ก) เป็นมุมจากขั้วโลกเหนือจริง (ต้นทาง)บทผู้ใหญ่นี่เป็นการวนรอบของปัจจุบันนี้จะทำงานเหมือนกับแม่เหล็กถาวรที่สามัญ สวยมาก คือ เหนือและใต้จะดึงดูด ในขณะที่ชุดเหนือเหนือและใต้-ใต้จะขับไล่นี้ทันทีทำให้เราโดยการ

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

สัปดาห์ที่ผ่านมานี้ขอบคุณหัวเราะปลาหมึกและแหล่งอื่น ๆ จำนวนมากของคนดูและประหลาดใจโดยการสาธิตนี้ง่ายของแม่เหล็กไฟฟ้าในการดำเนินการ. มันถูกเรียกว่า "รถไฟฟ้าที่ง่ายที่สุดในโลก" และมันเป็นเกือบแน่นอนกรณี โดยใช้เพียงแบตเตอรี่บางแม่เหล็กที่แข็งแกร่งและบางคน (เปลือย) ลวดทองแดงขดหนึ่งสามารถทำให้ "รถไฟ" เดินทางวงจรมากมายผ่านทองแดง "ติดตาม" จนกระทั่งแบตเตอรี่หมด. นี้ที่จับความสนใจของฉันเพราะมันเป็นอย่างมาก บิดฉลาดหนึ่งของการค้นพบต้นฉบับไมเคิลฟาราเดย์! ไม่เหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าที่ผมคิดว่าโดยอัตโนมัติ แต่มอเตอร์ homopolar ด้านล่างนี้เป็นภาพเคลื่อนไหวเช่นมอเตอร์ที่ผมวิปปิ้งขึ้นในสำนักงานของฉัน. มอเตอร์ homopolar Simple. มอเตอร์ homopolar ง่าย ในกรณีที่คุณไม่เชื่อว่ามันใช้งานได้จริงวิดีโออีกต่อไปอยู่ที่นี่. ออกแบบ homopolar มอเตอร์นี้โดยเฉพาะเป็นเรื่องง่ายขัน: คู่ของแม่เหล็กนีโอไดเมียจะติดอยู่ (โดยแรงแม่เหล็กเท่านั้น) ที่ด้านล่างของแบตเตอรี่เอเอ ห่วงลวดจะมีความสมดุลด้านบนของแบตเตอรี่โค้งงอเพื่อให้มันสัมผัสแม่เหล็กที่ด้านล่าง เมื่อทำการเชื่อมต่อสายจะเริ่มหมุนในทันทีและจะเริ่มต้นในการปั่นทั่วไปอย่างรวดเร็วเพื่อที่จะพลิกตัวเองออกจากคอน การออกแบบที่มีความซับซ้อนมากขึ้นและมีเสถียรภาพอยู่ แต่คนนี้มีความรวดเร็วและฉูดฉาด. ดังนั้นวิธีที่จะทำงานมอเตอร์ homopolar และ "แม๊กไฟฟ้า" รถไฟแสดงในวิดีโอหรือไม่ ทั้งของพวกเขาขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ระหว่างการย้ายค่าใช้จ่ายไฟฟ้าและแม่เหล็กแม้ว่าในรูปแบบที่แตกต่างกันบ้าง. เรื่องราวของเราเริ่มต้นที่การเกิดของสิ่งที่เราเรียกว่า "แม่เหล็ก" จุดเริ่มต้นของทฤษฎีของธรรมชาติที่จะพิจารณาไฟฟ้าและแม่เหล็กที่จะเป็นความสัมพันธุ์แขก เชื่อมโยง มันเริ่มต้นในปี 1820 เมื่อนักฟิสิกส์เดนมาร์ก Hans Christian Oersted แสดงให้เห็นว่าเข็มทิศแม่เหล็กสามารถหักเหโดยกระแสไฟฟ้าที่พิสูจน์ว่าการย้ายค่าใช้จ่ายไฟฟ้าผลิตสนามแม่เหล็ก ก่อนการทดลองที่น่าทึ่งนี้มันก็มักคาดการณ์ว่าไฟฟ้าและแม่เหล็กสองปรากฏการณ์ทางกายภาพแยกกันอย่างสมบูรณ์. อะไร Oersted ค้นพบในสาระสำคัญคือกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านลวดยาวตรงสร้างสนามแม่เหล็กหมุนเวียนรอบมันดังแสดงด้านล่าง. ไม่กี่ ของเส้นสนามแม่เหล็กรอบกระแสไฟฟ้าผมในลวดนานจริงๆ. ไม่กี่เส้นสนามแม่เหล็กรอบกระแสไฟฟ้าผมในลวดนานจริงๆ. สำหรับผู้ที่ไม่คุ้นเคยกับภาพกราฟิกนี้ของ "ทุ่งนา" ฉันได้เขียน "พื้นฐาน" โพสต์เกี่ยวกับเรื่องนี้ หนึ่งควรภาพเขตข้อมูลเหล่านี้หมุนเวียนรอบเส้นลวดที่สูงและระยะทางทั้งหมดเป็นทึบใกล้ชิดกับลวด โดยไม่ต้องลงรายละเอียดมากเกินไปวิธีการที่เรารู้ว่านี้เราทราบว่า B-ข้อมูลหมายถึงข้อมูลของแรงที่ติดต่อกับใด ๆ แม่เหล็กถาวรนำอยู่บริเวณใกล้เคียง เช่นแม่เหล็กถาวรจะมีแนวโน้มที่จะทำสองสิ่งในสนามแม่เหล็กมันจะหมุนไปแถวขั้วโลกเหนือกับเส้นสนามและมันจะถูกดูดเข้าไปในพื้นที่ที่มีสนามที่แข็งแกร่งเช่นคอลเลกชันหนาแน่นของเส้นสนาม. เส้นสนามไหลเวียนรอบกระแสไฟฟ้าในความรู้สึกที่จะถูกกำหนดโดย "กฎขวามือ" ชี้นิ้วหัวแม่มือขวาของคุณไปในทิศทางของกระแสเส้นสนามจะหมุนเวียนในความหมายที่กำหนดโดยนิ้วมือของคุณเราสามารถใช้กฎขวามือนี้ยังอธิบายถึงเขตรอบวงของการไหลเวียนของปัจจุบัน; ในกรณีเช่นเส้นสนามปรากฏประมาณที่แสดงด้านล่าง. เขตของไดโพลแม่เหล็ก. เขตของไดโพลแม่เหล็ก. เมื่อเราได้ทำวงปิดเส้นสนามที่มีพื้นฐานแตกต่างจากสายตรง เส้นสนามของสายยาวมีมือข้างที่ถนัด - นั่นคือพวกเขาไหลเวียนไปรอบ ๆ ในความรู้สึกที่ขวามือ - แต่พวกเขาไม่ได้มี "ด้าน" ให้กับพวกเขา ห่วง แต่มีสิ่งที่เราอาจเรียกว่า "ด้านบน" และ "ด้านล่าง" หรือมากกว่าอย่างเหมาะสมเป็น "นอร์ท" และ "ภาคใต้" เสา ทางด้านทิศเหนือของวงคือด้านข้างที่เส้นสนามออกมาในขณะที่ทางด้านทิศใต้เป็นด้านข้างเป็นที่เส้นสนามผ่าน วงนี้มีสองขั้วและดังนั้นจึงจะเรียกว่าเป็นขั้วคู่. ภาษาของเสานี้เป็นแนวทางของแท่งแม่เหล็กปกติและโลกแม่เหล็กและที่เป็นของหลักสูตรจุด - เพื่อประมาณการที่ดีที่วงของปัจจุบัน โลกและแม่เหล็กบาร์ง่ายทุกคนมีโครงสร้างข้อมูลไดโพลที่คล้ายกัน ยกตัวอย่างเช่นที่นี่เป็นร่างของสนามแม่เหล็กของโลกที่มีแถบแม่เหล็กที่สอดคล้องทับ. โลกเป็นแท่งแม่เหล็กขนาดยักษ์ โปรดทราบว่าแม่เหล็กเหนือ (แม่เหล็กใต้เสา) เป็นมุมจากขั้วโลกเหนือจริง (ที่มา) โลกเป็นแท่งแม่เหล็กขนาดยักษ์ โปรดทราบว่าแม่เหล็กเหนือ (แม่เหล็กใต้เสา) เป็นมุมจากขั้วโลกเหนือจริง (ต้นฉบับ) Takeaway ที่บทเรียนที่นี่เป็นที่ห่วงในปัจจุบันจะทำงานสวยมากเหมือนเป็นแม่เหล็กถาวรสามัญ ว่ามีที่ภาคเหนือและใต้เสาจะดึงดูดในขณะที่นอร์ทเหนือและภาคใต้ใต้ชุดที่จะขับไล่. นี้จะช่วยให้เราทันที SIMP

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

过去一周，这一个，谢谢Laughing鱿鱼和其他来源的，一个是很多人观看了这demonstration通过简单和amazed在electromagnetism action）。这是作为“世界的billed电simplest训练，”和它的情况下，几乎只有一Using当然，一些电池。一些强大的磁铁和线（铜），一个赤裸的卷材可以让“训练”，通过旅游numerous circuits铜“轨道”，直到电池drained是完全的。因为这是我的注意捕获的扭曲，这是一个很clever在迈克尔的一个原始的Faraday在电磁discoveries！我相信，作为感应电机，但A了。下面是一个单极电机（动画是这样一个在我的游戏我鞭打办公室。A单极电机的简单。A单极电机简单。只是在情况下，你不相信它，一个更长的视频作品实话是在这里。这是非常简单的设计particular单极电机（钕磁铁是：A对stuck（由磁力。到一个只）。AA电池底部的线环A是在顶部的电池balanced SO是它的触摸，bent磁铁在底部的支持。当连接线，将是immediately start到旋转，和一般会在spinning start它是如此快速，它将致力于更多了。因为它的设计和稳定的sophisticated生存，但这是一个快速和showy。你的工作怎么做，和“单极电机magneto-electric”在训练shown视频？在他们的关系depend Bothcharges和移动电magnetism之间，虽然在不同的somewhat方法来资助。我们的故事在我们begins birth of什么叫“electromagnetism”，现在的理论是一个自然的开始considers电和magnetism是不可避免的，在1820联。它的began时physicist Oersted Danish汉斯克里斯蒂安这表明，磁罗盘针是一个由一个电偏转可以证明这charges current，移动电在这一领域。有磁性，它是惊人的，这assumed实验一般是电和magnetism两个完全phenomena separate物理。在本质上，这Oersted discovered是流动，是通过很长的电磁线提供一个循环直在它下面，作为illustrated字段。A线的一些磁场，在一个电气参数，在一个非常长的I线。A线的一些磁场，在一个电气参数，在一个非常长的I线。这对于那些“depiction unfamiliar与图形领域的一个“，”我有书面basics”；一个应该在后。在这些领域，并在所有的循环线，closer heights和distances密集线是没有到。我们要为这错误太多，我们如何知道那一场的“B-field represents of force that interacts与任何把一个magnet常驻在附近。Such常驻magnet会做事情，照顾，护理两个领域：它将在一个旋转的磁性对其在线游戏场线与北极，它会drawn为A区与一个密集的领域，即stronger collection。的场线。在一场circulate电气系）是在一个可以从当前的“Be right -一determined pointing法则”：我的手在右拇指的方向线，将circulate current field的determined由在一个感觉。fingers。我们能利用这一规则也到right - A环（describe的领域；在循环参数的情况下，在这样一个领域作为shown appear roughly线下面。一个磁dipole field）。一个磁dipole field）。我们做了一个闭环的场线是不同的，从最fundamentally直线的场线图。有一个很长的线-那是，他们会在一个right-handed在circulate -但他们不要感觉到有一个“人”。他们，然而，有一个。”“我们会电话：顶部”和“底部”或，更appropriately，一个“北”和“南北极。”北侧的循环，这是从它产生的侧写，而是为南侧的侧？通过这场有两个环系。因此，对poles referred dipole是作为一个。这是一个suggestive language of poles定期酒吧，和magnet和地球的磁-那是当然的点。到一个良好的逼近，一环路（current，地球，和一个简单的酒吧都有一个类似的dipole magnet场结构。对，这里的a草图变量的磁场的地球，与magnet superimposed corresponding酒吧。地球作为一个gigantic）。这条magnet注磁北（南）是极magnet ' s true angled从最北极。（开源）地球作为一个gigantic）。这条magnet注磁北（南）是极magnet的北极angled从最真。（开源）这是一个长期的外卖是lesson of current loop相同会举止相当多是作为一个普通magnet常驻；是，将北部和南poles而吸引，North-North和South-South comb