太阳公仔原理

玩具中的物理学原理
——“太阳公仔”
班级：高二理（2）
姓名：李慧
·研究对象：米奇型太阳能玩具
·研究目的：“太阳公仔”工作原理
问题：1.太阳能电池板工作原理
2.电能如何转化为动能
·研究步骤：
确定研究目标—提出问题—拆分玩具观察内部构造—对问题进行猜想—查阅资料—结合实际进行推证—得出结论
·玩具内部主要结构：
一个小型晶体硅太阳能电池板；
一个小型电路板：大、小电容各一个；
小型电阻4个；
晶体三极管1个；
一个铜制线圈及2个小型磁铁。

导线若干；
内部电路板图：
1）太阳能电池板工作原理
利用太阳能发电的途径有多种，在这里是将太阳能直接转化为电能，利用的就是图中的太阳能电池板；这种光电池板是一种特殊的半导体二极管，可将光能转化为电能；
而这种转化则依靠于光生伏特效应。

在这里要先介绍一下光生伏特效应：
光生伏特效应是指半导体在受到光照射时内部产生电动势的现象。

通过相关资料的查阅，从中了解到在晶体（该玩具中太阳能电池板材料为单晶硅，是晶体材料中重要组成部分）中正负电荷的数目总相等，所以晶体对外来说都是电中性的；而当材料中两种不同型的的半导体结合在一起时，在交界面处会形成一薄层，层中一侧带正电一侧带负电；而当太阳光照射在电池板上时，光线会使得层中电子发生某种运动，从而产生了电势差。

·通过以上分析研究，可得出太阳能电池板的工作原理。

2）电能如何转化为动能
玩具顶部结构如图所示：
过程及原理：
由铜丝将由太阳能电池板转化而来的电流导入线圈中，这样原来的铜圈就成为了一个通电线圈，从而产生电场；
将头部前后两部分合起来后，其中的两个磁铁就相当于转子，由于处于通电线圈所产生的电场中，玩具顶部内的磁铁就会做周而复始的规律摆动，这种摆动也就带动了米奇头部的运动。

这种电能转换为动能的现象则与电动机的运作原理相同。

对于电路中局部电流的放大：
为使电路中的电流产生足以带动头部摇摆的电场，在此处需将局部电流进行放大，用到的元件即为电路板中晶体三极管；
由于对晶体三极管的了解较少，此处通过上网查找的到相关信息：
晶体三极管由两个PN结组成，PN结的正向电阻很小，反向电阻很大，根据三个电极之间的电阻关系，可以确定三极管的基极。

由于三极管的发射结与集电结的结构上的差别，当把集电极当发射极使用时，其电流放大系数β较小，反之β值较大。

在确定基极后，比较三极管的β值大小，可以确定集电极和发射极。

使三极管基极开路，在发射极和集电极之间加一小电压，使发射结承受正向电压，集电结承受反向电压，这时集电极之间加一偏流电流（如用欧姆表，反映出来是电阻很大）。

在基极和集电极之间加一偏流电阻，集电极电流显著增大（因有了一定的基极电流），这时集电极和发射极之间电阻仅为偏流电阻的十几分之一。

从集电极电流墙的幅度可判断β值的大小（用欧姆表时，如果表针偏角较基极开路时增加的幅度大，则β值就大）。

由于搜索出的相关资料中有较多生僻物理词汇，故在此仅以与这次研究相关的特性作为结论，即：晶体三极管能够其放大局部电流的作用。

·通过以上两点的分析，可得出在该玩具中电能是如何转化为动能的。

研究成果：
通过对所提出问题的研究，弄清楚了在“太阳公仔”这个玩具中太阳能电池板的工作原理，以及电能装化为动能的过程原理；使得我对一些物理知识有了更深的了解与体会。

过程反思：
在进行这次的物理研究时，第一次拆玩具并未拆完全，没有将头部进行分拆，导致在研究提出的第二个问题时，虽有猜想却无根无据来证明；在做论文时原本也打算一次成型，但是真正第一次完成时才发现需要完善的地方还有许多；这二者都使我认识到无论研究或是学习，都像“太阳公仔”的头一样，是周而复始、需要回环往复的。