[去科技馆学科学]哥伦布蛋与旋转磁场

航海家哥伦布巧立鸡蛋的故事相信很多人都听说过，这里我们把哥伦布蛋与旋转磁场放在一起，是为了向大家介绍一些有趣的电磁学知识。实际上，在哥伦布生活的15—16世纪，人们对电的认识仍仅仅停留在雷电和摩擦起电的阶段，更别说旋转磁场了。

我们这里所说的哥伦布蛋已经不是当年哥伦布巧立起来的真鸡蛋了，而是塞尔维亚裔美籍科学家、发明家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856.7.10—1943.1.7，图1）为了进行电学实验而特制的形状类似鸡蛋的铜蛋，因为他在实验中像哥伦布立鸡蛋一样把这个铜蛋立了起来，所以起了个这样的名字。

图1　尼古拉·特斯拉（图片来源：维基百科）

当然，特斯拉立起这个铜蛋时并没有像哥伦布那样把蛋的一头碰破，而是利用了旋转磁场。为了能更方便地介绍相关知识，还要从特斯拉发明交流电动机说起。

1882年，特斯拉发现了旋转磁场，之后经过多年反复试验，特斯拉于1887年发明了第1台交流感应电动机。但是由于当时使用的几乎都是直流电，而且旋转磁场也无法用肉眼直接观察到，因此特斯拉必须想出非常直观有效的方法让投资人充分理解旋转磁场，并相信由其驱动的交流电动机将有实际的应用价值和商业价值，于是“哥伦布蛋”登场了。

一次会议上，特斯拉向投资人提议，如果他能够比哥伦布做得更好，不打破蛋壳就将蛋立起来，那么就请投资人为他的交流电动机项目投资。投资人对此也颇感兴趣，于是欣然答应。

随后特斯拉便忙活起来，他把4个线圈绕在1个环形铁芯上，线圈两两相对（如图2左上角小图所示），并将其固定在1个木盘下，同时他还制作了1个铜蛋和几个铜球。当投资人再次来到实验室时，特斯拉把铜蛋和铜球都放到木盘里，并在木盘下的线圈中通入两相交流电。此时令人惊奇的事情发生了，铜蛋和铜球好像受到了魔法的驱动似的快速旋转起来，并且随着转速不断加快，原来躺着旋转的铜蛋竟然自己竖立了起来。

图2　特斯拉的哥伦布蛋原理示意图

（图片来源：tesla universe）

当在场的人都被惊得目瞪口呆时，特斯拉向大家解释说，其实这不是什么魔法，而是木盘下线圈所产生的旋转磁场使铜蛋和铜球旋转起来，而交流电动机也正是靠旋转磁场驱动的。结果大家一定都猜到了，特斯拉如愿以偿地得到了他所需要的投资，进一步对交流电进行更加深入地研究，并取得了巨大的成功。实际上，今天在全世界被广泛使用的现代交流电系统，正是在特斯拉的众多研究成果上发展起来的。

听完特斯拉的哥伦布蛋实验的故事，是不是很想亲眼看看这个有趣的装置？到中国科技馆常设展厅2层“探索与发现”A厅，你就能在“电磁之奥”展区看到经过改良后的“哥伦布蛋”展品，而且你可以通过亲手操作，使“哥伦布蛋”竖立起来，这件展品的名字叫做“旋转的银蛋”。

如图3所示，在椭圆形展台上设置有2个透明的有机玻璃圆盘，其中1个圆盘中放有1个银色的金属蛋，这就是我们的“哥伦布蛋”了，在这里我们称它为“银蛋”。

图3　展品“旋转的银蛋”

按下圆盘前的“启动”按钮为展品通电，就像我们前面所描述的特斯拉的“哥伦布蛋”一样，银蛋开始转动，并且随着转速的增加银蛋会自己竖立起来。此时按下“反向”按钮，银蛋会很快停下来，随后开始反向旋转，并再次竖立起来。

那么是什么使银蛋在圆盘中快速旋转呢？你一定会脱口而出“旋转磁场”！对，就是旋转磁场。透过有机玻璃圆盘你会看到，在其下方安装有1个绕有线圈的环形铁芯，与我们上面所介绍的特斯拉的装置非常相像，所不同的是这里只有3个线圈，互成120°夹角缠绕在铁芯上（如图4所示）。

图4　互成120°夹角缠绕在铁芯上的3个线圈

按下“启动”按钮后，线圈中将通以三相交流电，而不是特斯拉所使用的两相交流电，这主要是因为现在被全世界广泛使用的是三相交流电，因此在这里使用三相电会更加方便，而且也更有利于对现代交流电系统的相关知识进行介绍和展示。

三相交流电和两相交流电所产生旋转磁场的原理是完全一样的，因此这件展品可以很好地模拟特斯拉的“哥伦布蛋”。线圈中通入三相交流电后，会在其周围的空间中生成旋转磁场，而银蛋是闭合的导体，旋转磁场会在金属蛋中产生感应电流，感应电流的磁场要阻碍旋转磁场的变化，正是这两个磁场的相互作用使银蛋旋转起来。

而按下“反向”按钮，则会将三相交流电中的任意两相对调，此时旋转磁场的转向随之反转过来。在反向旋转磁场的作用下银蛋将很快停下来，而后开始反向转动。银蛋之所以在旋转过程中能竖立起来，则是因为对其内部进行了特殊处理，使质量分布不均匀，因此当其快速旋转时，在离心力、重力及摩擦力的联合作用下便竖立了起来。

本文原载于《中国科技教育》2018年第5期“追踪”栏目，作者韩永志，有删减。