圣诞STEM挑战:E&T旋转木马

把一块磁铁放在一块铝或铜片旁边，你会得到什么?没有什么!它们没有磁性，对吧?是的，那是真的。但这并不是故事的全部。在不接触铝的情况下，让磁铁嗖嗖地经过铝，你可能会看到它抽搐。更引人注目的是，试着把一个强大的磁铁扔进一段塑料管，然后再扔进一段类似长度的铜管。塑料管没有作用——磁铁在重力作用下加速下降。但磁铁停留在金属管道中，缓慢得令人难以置信。那是因为涡流。

传统的圣诞旋转木马或圣诞金字塔旋转木马是由风扇和一束蜡烛驱动的。这个版本的圣诞旋转木马用旋转磁铁产生的薄圆形铝片中的电涡流取代了蜡烛的热气流。与齿轮或滑轮不同，磁铁不需要接触铝，它可以从5或10毫米外推动铝。

世界上一些最伟大的思想家为涡流的发现而工作，从科学家法国总理弗朗索瓦·阿拉戈到伦敦的迈克尔·法拉第和物理学家莱昂·福柯。当导电金属在磁场中运动时，就会产生涡流。金属中产生电流。电流反过来产生自己的磁场——金属变成一种奇怪的电磁铁——磁场的方向是排斥磁铁的。涡流也会加热金属，就像其他电流一样。涡流隐藏在各种各样的东西里。你会发现它们被应用在很多传感器中，从金属探测到油漆厚度计，在工业中加热金属，以及在高速列车上使用的光滑非接触式制动器。

你可以利用顺序开关线圈产生的移动磁场来制造涡流驱动器，一些直线电机也是这样工作的。但是用磁铁和磁场旋转的电机更容易制造。涡流产生的力与磁铁和金属的相对速度成正比。所以在零速度时你根本不会受到任何力:这就是为什么铝不能粘在磁铁上!力随着金属电导率的增大而增大，并且随着磁场的平方而增大。所以使用铝是有意义的，使用强钕铁硼磁铁，并把它们放在合理的位置也是有意义的。

最重要的部件是旋转木马底座、滚珠轴承和带有磁铁的马达。底座是一个200-400毫米的圆形或八角形，由一块约1毫米的铝板切割而成。你可以用旧电子设备的外壳来制造它。你需要一个无润滑脂轴承大约8-15mm孔，外径20-30mm。(如果轴承上有油脂，你需要用白酒或其他东西把它洗掉。)“指尖陀螺”较大的外部轴承工作得很好-中心轴承有点小。

最后，找一个1.5-4.5V的玩具马达和一对NdFe磁铁。把一个短钢筋之间的钕铁硼磁铁，使一个强大的小棒磁铁大约电机的直径。电机轴应该在直角加入到酒吧的中心，也许把它粘到一个小齿轮或其他推合组件，因为我们做了。电机电源，取决于电机，可以是碱性或镍氢电池或两个，或3-6V的插入式直流电源，通过电阻从几欧姆到100欧姆。(你只需要一个小电流，可能只有100-200mA左右。)

将轴承牢固地安装在底座上后，将铝圆平安装在轴承上，使其与电机的距离平均为10-15mm。接上电源，如果运气好的话，底座会以温和的速度旋转。太快了，尝试更多的阻力。不会去了?更快的电机，或者调整底座，使其更接近电机。

你可以在旋转木马的技术部分做很多变化。例如，用一个马达为两个旋转木马提供动力，或者通过垂直边缘而不是圆盘为旋转木马提供动力。你可以把电机和磁铁放在一个塑料外壳里，让驱动系统更加神秘。铝能有多薄——你能用铝胶带吗?那么使用自行车轮子呢?轮辋是铝制的，自带轴承。

一旦一切就绪，就该换上圣诞装饰和小玩意儿了。雪人、圣诞老人、雪橇、天使、星星、LED灯——还有一个大的中心特色，比如圣诞树或一个“婚礼蛋糕”塔，比如蜡烛驱动的旋转木马。让你的想象力驰骋吧!