第十二章 電流與磁

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第十二章 電流與磁 12-1 磁鐵 早在西元前,人們已發現某些石頭具有吸引鐵器的性質,此乃人們對於 磁性 的最初認識。到了後來我們也知道了這些稱為天然磁石的石頭是磁鐵礦石。 一.磁鐵的應用: 1.戰國時期,利用天然磁石作成勺形的司南。 2.北宋初期,燒製魚形磁鐵指南魚。 3.北宋末期,利用磁鐵作指南針。 <科學新知> (1)天然的磁鐵礦石中常有四氧化三鐵(Fe3O4)的成分。 (2)我國的四大發明:指南針、火藥、造紙與印刷術。 二.磁鐵:具有磁性能而吸引鐵屑的物體,即稱之為磁鐵或磁石。其構造如右圖 所示。 1.磁鐵構造的介紹:  N 極:又名指北極。 (1)用細線懸吊時,指的方向大約是北方。 (2)磁力最強,磁力線最密集。  S 極:又名指南極。 (1)用細線懸吊時,指的方向大約是南方。 圖 12-1 磁鐵的構造 (2)磁力最強,磁力線最密集。 中性區: (1)位於磁鐵的中央地帶。 (2)幾乎沒有任何的磁性。 2.磁鐵的分類: 依來源可區分成: (1)天然磁鐵:磁鐵礦、鈷、鎳等天然具有磁性的物體。 (2)人造磁鐵:磁針、條形磁鐵、馬蹄形磁鐵等。 依磁性保久性可區分成: (1)暫時磁鐵:又名軟磁鐵;易磁化,但磁性不易長期保存。如鐵釘、熟鐵等 (2)永久磁鐵:又名硬磁鐵;不易磁化,但一經磁化後,其磁性不易消失。 如鋼釘、鋼材、鈷鋼、具有磁性的鋼釘或螺絲起子。 3.磁鐵的特性:

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(1)將磁鐵懸掛於空中時恆指向南北方向。 (2)同性相斥,異性相吸。 (3)南、北極不可單獨存在。不論磁鐵再怎麼小、怎麼折,其南、北極定同時 存在 (4)只有鐵質材料或磁性材料才可被吸引;並非所有的物質均可被磁鐵吸引, 只有鐵質材料才可以被吸引。

(5)可被磁鐵吸引的物體大部分都是由鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其合金 所組成的。 <想想看> 1.為什麼磁鐵的N 極會指向北方而S 極會指向南方? <Ans>: 2.何謂磁感應? <Ans>: 3.磁鐵如何吸住鐵質物質? <Ans>: 4.磁鐵可以吸附在教室的黑板或白板上,為什麼? <Ans>: 5.當你於山中迷路時,又沒有太陽與指針型手錶,你如何去辨別方向? <Ans>:

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<科學新知>

(1)何謂鐵質材料?

<Ans>:可被磁性物質所吸引的物質,即是。一般而言,有下列三種 1.鐵(Fe)、 鈷(Co)、鎳(Ni)三種元素;但鈷、鎳被磁鐵吸引的感應較

不明顯。

2.含鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)的合金。 3.鐵的氧化物。 <生活小常識> 如果不小心,將一盒大頭針撒在地板上,想要把大頭針全部檢起來,該怎 麼作?也許你想到用磁鐵,但是若直接用磁鐵吸起大頭針,然後再從磁鐵上將 大頭針一根一根拔下來,如此一來費時又容易被刺傷,請問你是否另有其他方 法? <Ans>: <溫故知新>:磁鐵與帶電體的比較 磁鐵 帶電體 只能與鐵等少數磁性物質(鐵質材料)作 用。 可與任何物體(如,導體、絕緣體)作用。 磁性可長期保存。 帶電性不易持久(尤其在潮濕時)。 平衡時指向南北方。 平衡時不會指向某一特定方向。 NS 兩極不可單獨存在;有中性區。 正、負電荷可單獨存在;沒有中性區。 同性相斥、異性相吸。 同性相斥、異性相吸 表:12 磁鐵與帶電體的比較1 4.磁鐵的分割: (1)橫切:垂直磁軸切割,如下圖。切口處會生成異名極。

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(2)縱切:平行磁軸切割,如下圖。切口處會生成同名極。 三.磁力: 1.定義:兩磁極間的作用力,有排斥(同性)亦有相吸(異性),屬於超距力的一種。 2.性質:與兩磁場強度成正比,而與兩磁場的距離平方成反比。 (1)與重力、靜電力相似,屬於超距力。 (2)磁鐵兩端磁力最強,中間最弱。 (3)兩磁鐵距離愈遠作用力愈小。 <小試身手> 1.下列何項是磁鐵S 極的定義? (1)S 極可吸引有磁性的物體 (2)S 極可排斥 有磁性的物體 (3)S 極可吸引任何移進它的物體 (4)指向北方的一極稱為N 極, 另一極則是S 極。 2.容易被磁化的物質,則 (1)容易保持其磁性 (2)不容易保持其磁性 (3)保持其磁 性與不容易被磁化的物質一樣長久 (4)無法比較。 3.磁鐵無法吸引下列哪些物質? (1)銅片 (2)鐵粉 (3)鎳片 (4)銀片。 4.下列敘述何者正確? (1)磁力是接觸力 (2)熟鐵釘易受感應而磁化,故可作永久 磁鐵 (3)磁針可吸引銅片 (4)能被磁鐵吸引的物質稱為磁性物質。 5.一鐵釘置於一磁鐵N 極附近,再將 一磁針置於鐵釘旁,如右圖,則指 向鐵釘之一極為磁針的 極。 P18 6.有外形完全相同的條形磁鐵與軟鐵各 一根,今欲區別何者為磁鐵棒,若以 甲棒之一端接近乙棒中間,發現吸引 力甚大,則甲乙兩棒,何者是磁鐵棒? 7.將軟鐵移近磁鐵的N 極,近 磁鐵的一端生成 極, 遠端生成 極,而軟鐵即 變為磁鐵,這種現象稱軟鐵已被 。 p15 8.將右圖(一)、(二)圓餅形磁鐵沿著虛線切 成二片,則斷口處變成何種極性? 圖(一)  甲: 乙: 丙: 丁: 。 圖(二)  甲: 乙: 丙: 丁: 。 9.準備一些材料,如:黃銅片、錫箔、鋁條、小鉛片、鎳線、鋼釘等等。以磁鐵分別

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接觸這些材料,觀察其結果。試回答下列問題: (1)磁鐵能吸引哪些物質?這些物質稱為 。 (2)磁鐵能吸引(1)中的物質,是因為磁的感應而發生 。 (3)磁化時,磁性物質靠近磁鐵的一端生成 ,遠端生成 。 10.欲使棒形磁鐵的磁力不易消失,下列何種處置最恰當 (1)異性極相對 (2)同性 極相對 (3)隨便放置 (4)將兩磁鐵相互敲擊。 11.下列敘述中,錯誤的是 (1)正、負電荷可單獨存在 (2)磁鐵是同性相斥異性相 吸,帶電體亦是如此 (3)磁鐵的NS 極可單獨存在 (4)磁鐵的NS 極不可 單獨存在。 12.磁鐵折成兩段後,N 極這一段的斷口是 (1)生成北極 (2)生成N 極 (3)生成南 極 (4)生成S 極。 13.若將一條磁鐵 n 等份後,則可發現有 (1)1 (2)2 (3)2n (4)n2個磁極。 14.磁鐵除了能吸引鐵質外,尚能吸引 (1)鈷、鎳、氧化鐵 (2)鈷、銅、氧化銅 (3)銅、 銀、硝酸銀 (4)金、銀、氯化銀。 15.磁場的方向是決定定於 (1)磁鐵的N 極方向 (2)磁鐵的S 極方向 (3)磁場中小 磁針的N 極方向 (4)磁場中小磁針的S 極方向。 16.鐵釘是容易被磁化的物質,則 (1)亦容易保有其磁性 (2)不容易保有其磁性 (3) 隨鐵釘大小而定 (4)無法比較。 17.關於磁力線的敘述,錯誤的是 (1)磁力線不相交 (2)磁力線較密的地方,磁場 愈強 (3)磁力線是不封閉的 (4)磁力線的方向是由N 極出發經磁鐵外部進入S 極。 18.下列敘述中,錯誤的是 (1)磁力線愈密,磁場愈強 (2)磁力線愈長,磁場愈強 (3)離磁極愈近,磁場愈強 (4)愈靠近磁極的磁力線愈密。 19.取一磁鐵靠近另一鐵棒時,此鐵棒會受感應而變成暫時磁鐵,此現象稱之為 。 20.下列各種物質中,可作成永久磁鐵的是 (1)軟鐵 (2)鋼 (3)熟鐵 (4)銅。 21.將一棒型磁鐵變成三段後,則下列敘述中,正確的是 (1)三段完全不具磁性 (2)只有中間段具有磁性 (3)只有前、後兩段具有磁性 (4)三段都具有磁性。 12-2 磁場 一.磁場的發現:將羅盤置於磁鐵附近,結果磁針發生偏轉,可證實於磁鐵附近 產生某種力量。就將此力量所能及之空間定義為磁場。

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1.磁鐵會在附近周圍的空間建立磁場,再藉由磁場對其他物體產生磁力的作 用。 <例如>:若把羅盤放進磁場中,羅盤的磁針會受到磁鐵的磁力作用而發生偏轉; 且於不同的位置偏轉的角度與方向亦不相同,乃是因為受磁力的大小、 方向不同所致。 2.磁針在磁場中不同的位置,所受到磁鐵磁力的大小與方向亦不盡相同。 3.磁場中的磁性物質會被磁化。 <Note>:距離磁場的遠近,會產生不同大小的作用力。距離磁場愈靠近,則所 產生的作用力愈大;而距離愈遠則所產生的作用力愈小。 二.磁場的定義:磁性物質(磁鐵)對另一磁性物質(磁鐵、鐵質材料)所產生之磁力 作用範圍,即是磁場。 <Note>:於磁場中,若感受的磁力愈大,則表示該磁場愈強。對於同一磁場而 言,愈近S 極或N 極時,其磁場愈強。 三.磁場的方向:磁力線各點上磁針N 極的指向即是磁場方向;換句話說,磁 針N 極在磁場中所受的磁力方向即是。 <溫故知新> 1.何謂超距力? 常見的超距力有哪些?其大小與哪些因素有關? <Ans>: 四.磁力線:當你於玻璃板或紙板下置一磁鐵(條形或馬蹄形)時,並於玻璃板或 紙板上,灑些鐵粉後輕敲之,則可看到鐵粉會排列整齊,如下圖所 示。將磁鐵之磁場中的鐵粉(受磁力作用的鐵粉)逐一連接所形成的曲 線,即是磁力線。在鐵粉所形成的磁力線圖中,可看出兩端的鐵粉最

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多,表磁力線愈密集,磁場愈強;而離兩端愈遠,則鐵粉愈少,表 磁力線愈稀疏,磁場愈弱。 P 19 1.定義:磁性物質所產生之磁力曲線圖。 2 性質: (1)每一條磁力線均是封閉的平滑曲線(看不見線的存在);沒有終點亦沒有起 點。 (2)磁力線是充滿磁場空間的立體結構。 (3)任何兩條磁力線均不相交。 (4)磁力線的疏密程度,代表磁場強度的強弱;愈密代表磁場強度愈強 (兩極); 愈疏代表磁場強度愈弱(中間)。 (5)磁力線上任一點的切線方向,即為該點磁場的方向 (6)於磁鐵外部,磁力線由NS;於磁鐵內部則是SN。 3.常見磁場的磁力線分布,有下列幾種,動手劃劃看: (1)單一磁棒的磁力線 (2)U 型磁鐵的磁力線 (3)異性極相對時的磁力線 (4)同性極相對時的磁力線 (5)異性極相向時的磁力線 (6)同性極相向時的磁力線

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五.地磁:於12 中曾討論到為何指北針1 的N 極恆指向地球北方,此乃因 為地球本身是個大磁鐵,其周圍 空間存在著一個大磁場,稱之為 地磁。如右圖所示。 P21 1.磁軸:磁鐵的南北兩極所連成之直線。 2.地磁北極:磁軸與北半球表面的交點,極性為S 極。 3.地磁南極:磁軸與南半球表面的交點,極性為N 極。 4.地理北極:地球自轉軸與北半球表面的交點。 5.地理南極:地球自轉軸與南半球表面的交點。

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實驗 12 - 1 磁場 實驗目的:利用鐵粉顯示磁鐵周圍磁場的分布情形。 實驗步驟: step1:如下圖左所示的裝置。再從上方慢慢灑下些許的鐵粉,使其均勻分布於 壓克力板上,並輕敲壓克力板,觀察鐵粉所成的圖形,可能如下圖中 所示。 P22 step2:取另一壓克力板,輕輕放在鐵粉所形成的圖樣上,壓住鐵粉後不再移動 step3:將一羅盤放在壓克力板上,將它慢慢移動到磁鐵周圍的不同位置上, 觀察羅盤磁針的指向與鐵粉所形成的圖樣之間有何關係。 step4:改用型磁鐵,重複以上步驟。 實驗結果: 連續移動羅盤至磁場中不同的位置,依次描出各點磁針的 N 極指向,並將 各點磁場的方向連接,所得的連續曲線圖(如上圖右)與鐵粉所形成的圖樣(上圖 中)互相吻合,而這些曲線,即是磁力線。 實驗討論: 1.在觀察的鐵粉圖樣中,鐵粉分布在磁鐵四周,看起來像是一條條曲線,但 是鐵粉在各處分布的疏密程度並不相同,想想看鐵粉的疏密程度所代表的 是什麼? <Ans>: 2.羅盤磁針的指向與鐵粉所形成的曲線之間有何關係? <Ans>:

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<小試身手> 1.磁力線為一 (1)有方向性的閉口曲線 (2)無方向性的閉口曲線 (3)有方向性的開 口曲線 (4)無方向性的閉口曲線。 2.磁力線與磁場方向 (1)垂直 (2)一致 (3)無關 (4)視情況而定。 3.置一玻璃於兩極間 (1)可以完全隔絕磁力 (2)並不能隔絕磁力 (3)可以改變磁力 方向 (4)可以增強磁力。 4.下列敘述中,錯誤的是 (1)目前科學家尚未發現到磁鐵的N 極或S 極可單獨 存在的證據 (2)當溫度升高時,磁鐵的磁性強度逐漸減弱 (3)所有的金屬材料 都可以磁化 (4)磁力線是一封閉曲線。 5.磁力線不能表達出下列何種性質? (1)磁場的型態 (2)磁針在磁場中的受力方向 (3)磁場強度 (4)軟鐵棒進入磁場中受磁化的程度。 6.一磁鐵的N 極附近置一磁針,磁針的箭矢尖端代表磁針的N 極,則下列四圖 中,何者正確? (1) (2) (3) (4) p23 7.下列關於磁力線的分佈圖中,正確的是 (1) (2) (3) (4) 8.欲使磁鐵棒磁力不易消失,可將二條磁鐵棒並置一起,其放置為 (1)異名極相 對 (2)同名極相對 (3)隨便放置 (4)兩磁鐵棒互相敲擊。 9.磁力線可以描出 的形狀及其強度的 與 。 10.磁鐵附近有磁力作用的空間,稱為 。 11.如右圖所示,甲、乙、丙、丁四磁針置 於一磁鐵的四周,則: (1)甲磁針的N 極指向為 。 (2)丁處的磁力線方向為 。 p21 (3)乙、丙兩處的磁力線方向,是相同或相反? (4)圖中 A 點處的磁場方向為 。 12.如右圖所示為鐵粉在某磁場中的分布情形 ,則: (1) P 、Q、 R 三點以 點的磁場最強。 (2)能否由此圖推知 P 處的磁場方向為何? P21

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(3)若通過的磁力線如右下圖所示,則於 P 點 處放置磁針後,N 極的指向為 ,S 極的指向為 。 13.今以一玻璃板平放在條形磁鐵上,並灑以鐵屑作三次實驗,分別造成下圖之 甲、乙、丙三種圖像。並於下圖

a

b

c

中,有三種不同排列的條形磁鐵,試 完成下列各題: p23 (1)

a

造成 。 (2)b造成 。 (3)

c

造成 。 (4)圖乙中,兩磁鐵間的作用力是 力。(填吸引或排斥) 14.下列何者錯誤? (1)磁力線愈長,磁場愈強 (2)磁力線愈密,磁場愈強 (3)離磁 極愈遠,磁場愈弱 (4)靠近磁極的磁力線比離磁極較遠的磁力線為密。 15.磁力線在磁鐵外部的方向是由 極至 極,在磁鐵內部的方向是由 極 至 極。 16.地球磁場的方向是由地理上的 方指向 方,故地球表面上的磁針靜止時, 其N 極總是指向 方。 17.一磁鐵所產生的磁力線如下圖所示,試回答下列問題: 圖 一 圖 二 (1)該磁鐵的N 極是 。 (2)若於磁鐵附近的 P 點置入一小磁針,則磁針的方向是 。 (3)關於圖中小鐵釘情形的敘述,錯誤的是 (A)須固定,否則會被吸走 (B)拿走 鐵釘後,鐵釘的磁性亦隨著消失 (C)鐵釘會變成永久磁鐵 (D) R 端會被磁化 變成N 極。 (4)若將圖一中的鐵釘變成磁針,則磁針的方向應該是圖二中的(A)甲 (B)乙 (C) 丙 (D)丁。 18 地球磁場的磁力線是由地磁的 極指向 極。 19.地球本身可視為一個大磁鐵,則赤道上空的磁力線方向是向 (1)東 (2)南 (3)西 (4)北。 20.將一磁針移近一磁場中,此時磁針的S 極指向東方,則磁針所在位置之磁場

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方向是向 。 <動手做做看>:磁鐵也愛鈔票 你我都知道磁鐵會吸住鐵質材料(磁性物質),但你相信紙鈔也會被磁鐵給吸住 嗎? 準備用具:新紙鈔、縫衣針、鐵夾子、磁鐵(磁力愈強愈好)。 實驗步驟: step1:以鐵夾子夾住縫衣針,使針與地面保持垂直。 step2:將鈔票縱向對折,將中心置於針上。 step3:以磁鐵接近鈔票,鈔票會被吸引而慢慢旋轉。 <解答篇>:為什麼會這樣? 最主要的原因是鈔票含有少量的鐵。雖然含量不多,但墨水也含有微量的鐵質, 而自動販賣機就是以磁鐵感應器照射墨水,藉以分辨鈔票的種類,所以能辨識 假鈔,而用舊了或者墨水不清的紙鈔就不被接受了。強力磁鐵可以到大型店舖買 到或者分解壞的收音機、電視機的喇叭亦可取得磁鐵。 <想想看> 日常生活中還有哪些東西可以被磁鐵給吸引?

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12-3 電流的磁效應 一.電生磁的發現:西元1820年厄司特,無意間將一磁針靠近一通電之銅線(金 屬導線),結果發現磁針發生偏轉(如下圖一),且改變電流流 向時磁針向反方向偏轉。安培對此電流產生磁場的效應作了更 深入的研究,發現電流和其所產生磁場間之數量關係。因而電 和磁在本質上是相關的。如果改用沒有通電流之導線,則磁針 不會發生偏轉。 二.電流磁效應:當電流通過導線時會在其周圍產生磁場;而這種由電流產生磁 場的作用,就稱之為電流磁效應。 1.載流長直導線所產生的磁場: (1)形狀:磁力線是以長直導線為圓心之同心圓;表示直導線周圍產 生圓形磁場。 (2)大小:當位置與導線間的距離一定時,磁場強度和電流成正比。當 電流一定時,磁場強度和導線間的距離成反比。 (3)方向:載流導線所產生的磁場(磁力線)方向與電流方向垂直依安培 右手定則來判斷;以右手握住導線,伸直的大姆指所指的 方向是電流方向,其餘彎曲四指所指的方向即是磁力線方 向(或磁針 N 極受力方向)。如下圖二所示。 圖 一 圖 二 三.安培定律:通有電流的長直導線其周圍所產生的磁場強弱與導線上的電流大 小成正比;而與導線間的距離成反比。 <科學新知>:磁針偏轉角度與電流強度的關係 1.磁針置於通電流的導線附近時,磁針 N 極的指向為地球磁場與通電流導線所 生成磁場的合成磁場方向。

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2.如下圖左所示,磁針除了受到由南到北的地球磁場作用外,亦同時受到由 上到下的電流所產生由西到東的磁場作用。所以,磁針所受的總力是兩者 的合力。 <例如>:若兩磁場強度相等,則其合力磁場方向是東北方(θ=450 ),換句話說, 磁針極的方向指向東北方( θ=450 );若將電流持續加大,使得由西到 東的磁場變大,則兩磁場之合力磁場方向會更偏向東,即磁針的偏轉 角度更大,θ>450 。如下圖右所示。 <知識情報站>:載流直導線附近磁針的偏轉方向判定 1.忽略地球磁場的影響:當電流由北向南流動時,依安培右手定則,則在導線 上方的磁場方向是向西,而在導線下方的磁場方向則 是向東。所以置於導線上方的磁針,其N 極會偏向西; 而置於導線下方的磁針,其N 極則會偏向東。如下圖 左所示。同樣的道理,若改變電流流向時,則磁針的 N 極偏轉方向剛好相反。如下圖右所示。 導線電流由北到南(左圖) 由南到北(右圖)時磁針的偏轉方向 2.考慮地球磁場的影響:若考慮地球的磁場影響時,磁針所受的影響是地球磁

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場與電流磁場的合成磁場方向。 <例如 1>:若導線電流由南向北流動時,則置於導線上方的磁針N 極會向東 偏轉,電流愈大,則磁針的偏轉角度愈大。如下圖所示。 <例如 2>:若導線電流由東向西流動時,在導線上方的電流磁場與地球磁場 均向北,所以磁針不偏轉。 <例如 3>:若導線電流由南向北流動時,在導線下方的電流磁場方向是向南, 與地球磁場相反;若地磁比較強,則磁針不偏轉;若地球磁場比較弱,則磁針 N 極指向南。 實驗12 - 2 電流的磁效應 實驗目的:觀察通以電流的直導線所產生磁場的分布情形。 實驗步驟: 學生實驗部分: step1:將銅線放在羅盤正上方,調整銅線方向與羅盤內磁針指向南北方。 (如下圖一所示) step2:接通開關,記下流經銅線的電流方向以及磁針 N 極的偏轉方向與偏轉 角度。 step3:改將羅盤置於銅線上方。 step4:將羅盤垂直提離銅線,漸漸地增加距離,並觀察羅盤之偏轉角度。 step5:改變電流方向重複步驟 1 ~ 3,觀察磁針偏轉方向。 老師演示部分: step1:先在白色硬紙板中心處開一小洞。如圖二所示。 step2:裝置如圖三所示。 step3:接通電流後,調整電流至適當數值,用筆輕敲硬紙版,觀察鐵粉的分 布圖樣,再提高電流量,觀察鐵粉分布是否更清晰?如圖四所示。

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圖 一 圖 二 圖 三 圖 四 step4:改將 4 個羅盤放置在銅線四周,並使羅盤距離銅線約 2 公分。如圖五所 示。 step5:接通電流後,調整電流至適當數值 ,觀察磁針是否有偏轉?再提高電 流量,並觀察磁針偏轉角度發生何 種變化? step6:同步驟 4,但羅盤距離銅線改為 10 公 分。並重複步驟5,觀察其結果。 step7:改變電流流向,重複步驟 5、6,觀察磁針的偏轉方向是否也隨之改變? 實驗結果與討論: 1.如圖(一)、(二)所示: (1)羅盤在銅線上方,則: 若電流由ab磁針順時針偏轉。 若電流由ba磁針逆時針偏轉。 (2)羅盤在銅線下方,則: 若電流由ab磁針逆時針偏轉。 若電流由ba磁針順時針偏轉。 2.鐵粉圖樣是以長直導線為圓心之同心圓。 3.同心圓都在垂直於導線的平面上,表示磁場方向與電流方向互相垂直。 4.愈靠近直導線則磁力線(鐵粉分佈)愈密集;導線電流愈大則磁力線(鐵粉分佈) 愈密集;直導線的匝數愈多則磁力線(鐵粉分佈)愈密集。 7.磁針的偏轉角度與電流大小有關,電流愈大,偏轉角度愈大;電流愈小,偏 轉角度愈小。 8.磁針的偏轉角度與銅線的距離也有關,距離愈近,偏轉角度愈大;距離愈遠, 偏轉角度愈小。 9.磁針偏轉的角度大小,代表銅線通以電流後,在四周圍的磁場強度與地球磁 場合力的結果。 <小試身手> 1.通以電流的直導線,會在其周圍產生 ,而且磁力線的形狀是 形。 2.通有電流的直導線周圍所產生的磁場,該磁場方向與電流方向互相 。

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3.在電磁效應的實驗中,電流通過直導線所產生的磁場方向與電流方向成 (1) o 0 (2)45o (3)60o (4)90o 4.關於安培右手定則的敘述,正確的是 (1)以大拇指當磁場方向 (2)以四指當電流 的方向 (3)是判斷電流與產生磁場方向的方法 (4)以上都正確。 5.一條長直導線,其電流方向為向你迎面而來,則導線周圍的磁場方向是 (1)逆 時針方向 (2)順時針方向 (3)向左 (4)向右。 6.將一長直導線垂直穿過桌面,並通以由上向下的電流,則放在導線東側的磁 針 (1)N 極向東偏 (2)N 極向西偏 (3)磁針完全不受載流導線的影響 (4)磁針可 能不改變方向,更可能做180o轉向。 7.欲判斷一電阻線中是否有直流電,以下何種方法測試無效? (1)用安培計與電 阻線串聯 (2)用伏特計與電阻線並聯 (3)用小碎紙片靠近電阻線 (4)用小磁針靠 近電阻線。 8.安培右手定則可說明 (1)電流發光效應 (2)電流磁效應 (3)電流熱效應 (4)電流的 化學效應。 9.下列關於磁力線的圖形中,正確的是 (1) (2) (3) (4) p26 10.一條長直導線水平放置,通以由南向北的電流,將小羅盤置於導線正上方, 則羅盤磁針的N 極將向何方偏轉 (1)東 (2)西 (3)南 (4)北。 11.下列電器用品中,(A)電話 (B)電視 (C)電扇 (D)電爐 (E)電熨斗,利用到電流 磁效應的有 。 12.今有一作直線運動的電子朝你而來,其經過之處所產生的磁場方向是 (順 或逆時針)。 13.小明於實驗室中發現磁針並不指向南北方向,並分析其可能原因是磁針附近 有(A)磁棒 (B)銅棒 (C)載有電流導線 (D)玻璃棒 (E)塑膠尺。你認為正確原因的 是 。 14.當電流通過導線或螺管形線圈時,在其周圍會產生磁場,此種現象稱之為 。 15.右圖之電路圖中,磁針甲、乙、丙位 於導線上方,而磁針丁則位於導線下方 ,按下開關後,試回答下列問題: (1)磁針甲的N 極偏向 方。 P27 (2)承上題,其偏轉角度可能是 (A)0o (B)0o ~90o (C)90o ~180o (D)0o ~180o

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(3)磁針乙的N 極偏向 方;磁針丙的N 極偏向 方;磁針丁的N 極偏向 方。 16.通有電流的長直導線所產生磁場大小與導線上電流大小的關係是(A)成正比 (B)成反比 (C)平方成正比 (D)平方成反比。 17.通有電流的長直導線所產生磁場大小與導線間距離的關係是 (A)成正比 (B)成 反比 (C)平方成正比 (D)平方成反比。 18.安培右手定則是用來確定 (A)導線電流的速度 (B)導線上電子流的方向 (C)導 線上電流所產生的磁場方向 (D)導線上電流強度與磁力強度的關係。 19.安培定律是用來確定 (A)導線電流的速度 (B)導線上電子流的方向 (C)導線上 電流所產生的磁場方向 (D)導線上電流強度與磁力強度的關係。 20.發現將通有電流的導線靠近一可自由轉動的磁針時,磁針會發生偏轉的人是 (A)法拉第 (B)安培 (C)厄斯特 (D)歐姆。 12-4 電磁鐵 <你知道嗎?> 於先前的章節中,曾提到電可生磁,那麼請問用什麼方法可以使磁場強度變 大?

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<Ans>: 提升電流強度。  將長直導線改成螺旋形線圈。 還記得先前的章節曾提到過,通有電流的長直導線會於導線的周圍產生磁場, 並針對磁場的形狀、大小、方向作一探討。如果將此直導線改成螺線形線圈,那 你知道它是否會產生磁場?如果會,那磁場的形狀、大小、方向又會是如何? 一. 通有電流的螺線形線圈之磁場: 1.單匝圓形線圈所產生的磁場:一個單匝圓形線圈所生成的磁場形狀,有點 類似一個圓盤形的薄磁鐵所造成的磁鐵。如下圖(a)、(b)所示。 圖(a) 通電流的單匝圓形線圈 圖(b) 圓盤形薄磁鐵所造成 所造成的磁場形狀 的磁場形狀 <Note>:單匝圓形線圈中心處所產生磁場的方向判定: 以右手彎曲四指代表電流方向,則伸直的大姆指所指的方向便是線圈中心 的磁場方向。  將導線圍繞成圓形者,即稱之為線圈。  若將一長直導線繞成螺線形形成長線圈,而這長線圈可視為由數十個單匝 圓形線圈串聯而成,稱之為螺線形線圈。 2.螺線形線圈所產生的磁場:圈數很多的螺線形線圈通有電流時,每一圓形 導線在中心處所建立的磁場均為同方向,故可以互相增強效應,結果造成 一個與條形磁鐵效果相同的磁場。其特性如下: (a)用一條長導線繞成螺線形的長線圈,就相當於由很多的圓形線圈所串聯 而成,故線圈中心處的磁場較單一圓形線圈為強。 (b)線圈內部磁力線形成直線狀(且方向相同),但於線圈兩端的磁力線則逐 漸彎曲向外。 (c)螺線形線圈的磁力線特性與條形磁鐵的磁力線相似,而線圈內磁力線與

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線圈外磁力線方向恰好相反。如下圖所示。 (d)線圈內磁場強度與線圈上的電流成正比。 (e)線圈內磁場強度與單位長度所繞的線圈數亦成正比。 (f)磁場方向的判斷  用右手握住線圈,右手四指彎曲指向電流方向,則 伸直的大姆指所指的方向便是線圈極性 N 極的一端,也就是線圈所生 成的磁場方向。如下圖所示。 二.電生磁的應用(電磁鐵):利用電流磁效應,使軟鐵具有磁性所製成的磁鐵。 1.電磁鐵的製作: step 1:利用一圓形塑膠管製得一螺旋形線圈。如下圖左所示。 step 2:並於線圈兩端分別接上電池(直流電)之正負兩極。通有電流的線圈會像 磁鐵般使羅盤發生偏轉,判斷一下線圈的N、S 極?如下圖中。若改變電 流流向,則線圈的N、S 極亦會跟著改變,如下圖右。 <Note>:  若將通有電流的線圈靠近磁性物質 、鐵質材料(如,迴紋針),則可吸住 鐵質材料(迴紋針),如右圖所示。

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 利用磁針即可檢驗所產生磁場之方向 (由磁針的 N 極、S 極判斷)及大小 (由磁針偏轉程度)。 step 3:將一軟鐵棒或鐵釘插入此一螺線形線圈內部,即可藉由電流磁效應使軟 鐵棒具有磁性,可吸住迴紋針,如下圖左。若不通電流,鐵釘則無法具 有磁性,故不能吸住迴紋針,如下圖中所示。 step 4:改用竹筷代替鐵釘,如下圖左所示,重複實驗,那結果又如何? 2.電磁鐵的特性: (a)電磁鐵可藉提升電流強度、增多單位長度匝數或加粗鐵芯而產生較大 磁場,進而吸引較重之鐵質材料。 (b)電磁鐵的磁場,其方向及強度可隨電流之改變而改變;一般而言, 磁場強度遠大於天然磁鐵。 (c)電流停止時,電磁鐵之磁性亦隨之消失;所以使用較為方便。 3.電磁鐵的應用:電磁鐵的用途很廣,像電磁鐵起重機、電話機收話器、電報 機、電鈴、安培計、伏特計、馬達等等。 <做做看> 根據先前所提到的電磁鐵製作的方式,將漆包線饒成空心線圈,刮除兩端引線 前端部分的絕緣漆,並以導線將線圈、電池、開關連接。取一枚迴紋針,將迴紋 針的1 / 3 部分放入線圈中,接通開關,使電流通過線圈,此時迴紋針產生什麼 現象?為什麼? <結果>: <課外新知>:安培計、伏特計的偏轉原理 安培計、伏特計的指針下方,會連接 一個繞在鐵芯外圍的線圈,並有一金屬 線作成的小彈簧,其彈力會阻撓線圈的

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轉動,當安培計或伏特計無電流通過時, 能調整指針刻度指其歸零。若以安培計 或伏特計連接電路測量電流或電壓時, 當電路中的電流流經線圈時,線圈會產 生磁場,結果與線圈旁的磁鐵發生排斥 作用,並克服一些彈簧的彈力,因而使 指針發生偏轉,若電流愈大,產生的磁場愈大,則指針的偏轉角度就愈大。若切 斷電流,則指針受到彈簧的彈力作用而歸零。其簡圖如上圖右。 <小試身手> 1.如右圖所示,將一磁針置於 A、B 兩電 磁鐵間,則:(忽略地磁影響) (1)僅壓下開關 S1時,磁針將 時鐘偏轉。 (2)僅壓下開關 S2時,磁針將 時鐘偏轉。 (3)同時壓下開關 S1及S2時,磁針將 時鐘偏轉。 2.利用電流磁效應使軟鐵具有磁性的裝置稱為 。 3.長度相同的 4 個螺現形線圈中,通以相同電流,則下列何者的磁力最強? (1)10 匝線圈 (2)20 匝線圈 (3)30 匝線圈(4)以上均相同。 4.螺線形線圈通有電流時,每一圓形導線所建立的磁場均為 ,(同向或反向) 可以互相 效應,結果造成磁場與 完全相同。若以右手握住線圈,大拇 指方向的螺線形線圈末端代表的是 極。 5.如右圖中的線圈位於水平面上,則其所建立的 磁場與下列何者相似? (1) (2) (3) (4) 6.如右圖所示,線圈內插有軟鐵棒。當電 路接通時,則置於線圈右側的磁棒將 (1) 被排斥 (2)被吸引 (3)不受影響 (4)被 吸住後再推開。 7.有甲、乙兩個串聯的線圈,長度與 匝數都相等,如右圖所示,若在甲 的內部填充塑膠棒,乙的內部填充 鐵棒,則何者能吸引較多的鐵釘? (1)甲 (2)乙 (3)一樣多。

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8.承 7,若把電池增加,使兩個電池串聯,則吸引的鐵釘數 (1)甲、乙都增加 (2) 甲、乙都不變 (3)甲增加,乙不變 (4)甲不變,乙增加。 9.下列何者不是電磁鐵的應用? (1)安培計 (2)伏特計 (3)電熨斗 (4)電風扇。 10.下列甲乙丙丁各圖中,P 點磁場強度的大小順序是 。 11.商用強力電磁鐵能吊運巨大鋼板或廢棄車輛,除了線圈匝數密集之外,並必 須增強 以增加電磁鐵磁力。 12.有四種線圈分別是(a)長度 5 公分,10 匝 (b)長度 10 公分,10 匝 (c) 長度 5 公 分,20 匝 (d)長度 10 公分,20 匝,並通以相同電流,則其所產生的磁力最大 的是 ,最小的是 。 13.將通有電流的線圈一端,靠近水平懸 掛著的小磁棒,如右圖,則下列敘述 何者正確? (1)甲圖中小磁棒與線圈 無磁力作用 (2)乙圖中因被玻璃隔絕, 小磁棒不受線圈磁力影響 (3)乙圖中小 磁棒與線圈間有相吸引之磁力 (4)甲圖 中小磁棒與線圈間有相排斥之磁力。 14.右圖中的通電螺線形線圈內部與外部各 有一小磁針,其左端分別為A、B,則下 列敘述何者正確? (1)A、B 均為 N 極 (2) A 為 N 極,B 為 S 極 (3)A 為 S 極, B 為 N 極 (4)A、B 均為 S 極。 15.下列何者不是影響螺線形線圈所產生的磁場強弱因素? (1)線圈的截面積 (2) 電流大小 (3)線圈的密集程度 (4)線圈內的鐵釘多少。 16.下列(A)、(B)、(C)三圖中,排斥力的有 ,吸引力的有 。 12-5 馬達與電話 <你知道嗎?> 於先前之章節可得知『通以電流之導線,可於其周圍產生磁場』,若將此通 有電流之導線置於磁場中,則此外加磁場會對導線將會產生什麼作用?

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一.通有電流之導線與磁場的交互作用:將通有電流的導線與一外加磁場排成如 下圖左所示。 1.結果: (a) 若載流導線之電流方向與外加磁場方向平行時,則導線不受磁力作用。 (b) 若載流導線之電流方向與外加磁場方向垂直時,則導線受磁力作用, 且作用力最大。 (c) 載流導線之電流方向或外加磁場的方向改變時,則載流導線的受力方 向相反(或運動方向相反)。 (d) 載流導線之電流方向與外加磁場方向同時改變時,則載流導線的受力 方向不變(或運動方向不變)。 (e) 經由安培先生作了一連串的實驗而提出以下定則及定律:  右手開掌定則:討論載流導線之電流方向、受力方向(或運動方向)及外加 磁場之磁場方向三者的相對關係。如下圖右所示。手指所代表則如下 所表示。 大拇指  導線電流方向 伸直四指  磁場方向 掌心  載流導線受力方向 <想想看> 今有相鄰的兩平行載流直導線或 載流圓形線圈,若同時通有相同流向 的電流時,則兩導線會發生何種現象? (如右圖一)若改通相反流向的電流時, 則兩導線又會發生何種現象?(如右圖二) <Ans>:

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圖一 圖二 二.馬達(電動機):是利用電流磁效應,使物體發生轉動的裝置,即將電能轉換 成力學能(動能)的裝置。 1.結構:其簡單裝置如下圖所示。 磁場(又稱定子)  可產生磁場之永久磁場 電樞(又稱轉子)  纏繞線圈的可轉動鐵蕊 集電環(又稱換向器)  將電流轉換方向後傳入電樞之裝置 電刷(又稱碳刷)  集電環接觸的固定裝置 直流電馬達結構簡圖 2.轉動原理:當電樞線圈通電時,電樞變成磁鐵並與永久磁鐵間產生交互作 用(吸引或排斥),迫使電樞旋轉;再利用換向器傳導電流給電 樞線圈,並適時更換電流流向,保持電樞與永久磁鐵間的作用 力,使旋轉方向固定且持續轉動。可用下頁圖解釋之。

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3.連續轉動的過程: step 1:當線圈呈水平時,迴轉力最大;A 向上,B 向下,整個線圈呈順時鍾方 向轉動。如(甲)圖。 step 2:通以電流,鐵芯(電樞)形成電磁鐵,結果電磁鐵與線圈外圍的外加磁場 因磁性相同而互相排斥,而導致線圈轉動。 step 3:線圈轉動至鉛直面時,迴轉力最小;但線圈會靠著慣性作用而持續旋轉。 如(乙)圖。 step 4:剛剛轉過 900時,集電環恰好分別換接另一個電刷,使線圈各邊的電流 流向會反向流動。因此,線圈每轉半圈,電流方向即轉換一次,同時間 線圈的極性亦隨之改變。如(丙)圖。故線圈可以持續轉動。 4.集電環(換向器)的功能: (a) 傳導電流給電樞線圈。 (b) 適時調整電流流向:使線圈每轉半圈後,電源經由電刷輸入線圈的電 流就會反向一次,線圈與轉軸就能繼續不斷地轉動。 5.馬達效率的改進:馬達內線圈的轉動效應,隨著下列條件而增加 (a) 增加通過線圈的電流。 (b) 增加線圈的單位長度的匝數。 (c) 增加外加磁場的強度。 (d) 增大線圈的面積。 6.馬達的種類及應用: (a) 種類:直流馬達、交流馬達。 (b) 應用:電風扇、吸塵器、吹風機、抽水機及洗衣機等等。 <小試身手>: 1.兒童玩具汽車所使用的馬達是以普通的 作為電源;是屬於直流電抑或交流 電? 2.電風扇是以為 動力的電器;馬達內部有一用細漆包線在鐵芯外纏繞的線圈, 稱之為 。可與轉軸連接而自由轉動。 3.馬達是將 能轉換成 能的裝置。 三.電話: 1.構造:下圖為電話話筒與聽筒的構造分解圖。

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2.發話原理:發(送)話器簡圖如下圖左。 (a)說話時,聲音使金屬薄板產生振動,金屬薄板會壓縮盒內的碳粉,不同 程度的振動,盒內碳粉被壓縮的疏密程度也不相同。 (b)碳粉依壓縮程度不同而改變電阻,進而改變通過之電流大小。  被壓縮的較緊密時,電阻較小,則通過的電流較大。  碳粉被壓縮的較疏鬆時,電阻較大,則通過的電流較小。  產生的電流會隨著聲音的振動幅度大小(響度)與頻率的高低(音調)作不同 的改變。 送話器(話筒) 受話器(聽筒) 3.收話原理:收(受)話器簡圖如上圖左。 (a)聽筒內有一電磁鐵,電磁鐵的磁力強弱會隨著由電纜傳送過來的電流大 小而改變。 (b)聽筒內靠近受話者耳朵的金屬薄片,也隨著電磁鐵的磁力強弱產生不同 振幅大小及頻率高低的不同振動,此振動與你說話時聲音產生的振動相 同。 (c)金屬薄片振動空氣而發出聲音傳入耳內。 科學新知:光學纖維纜線 是由高純度的玻璃纖維所製成,是現今主要的有線電路傳輸媒介。其特性如下: 1.資料傳輸率甚高,傳輸距離甚遠。 2.重量輕,不腐蝕,不怕電波干擾,使用時間長,唯一缺點是成本高且維修費 用大。 動手做做看: 以下是一種簡易的馬達製作過程,你可做做看: 1.直流馬達簡圖:

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2.簡易製作過程: step 1:電樞:內裝數支鐵條,外部繞有漆包線,且兩端磨掉絕緣漆;纏繞時 需注意方向及所繞圈數。如下圖(a)、(b)所示。 step 2:裝設兩個整流片(即半圓形金屬環)及電刷片 完成圖 示意圖 3.製作完成後馬達的測試: (1)電池若為弱電壓(小於 1.3 V),則馬達不易轉動。 (2)調整軸和架,於接觸點處滴些潤滑油效果會更好。 (3)若電池的電壓正常,可於接好後,用手轉動電扇,馬達即可轉動。 (4)若完成以上步驟馬達仍無法轉動,則檢查漆包線與電源線的接頭是否鬆動 或斷落,以及漆包線的纏繞方向是否正確。 <小試身手> 1.馬達的電流是經由 (1)場磁鐵 (2)半圓形金屬環 (3)圓形金屬環 (4)電刷 輸入線 圈或自線圈輸出。

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2.若馬達線圈上的電流方向不變,則線圈只會轉動 (1)900 (2)1800 (3) 3600 (4)400 3.下列電器中,何者不是以馬達為動力? (1)電風扇 (2)吸塵器 (3)蒸汽機 (4)洗衣 機。 4.電話話筒受話時,壓縮盒的碳粉被壓縮的比較緊密時 (1)電阻較大,電流較大 (2)電阻較小,電流較小 (3)電阻較大,電流較小 (4) 電阻較小,電流較大。 5.話筒是使用哪個原理或定律? (1)歐姆定律 (2)電流磁效應 (3)質量守恆定律 (4) 安培右手定則。 6.聽筒是使用哪個原理或定律? (1)歐姆定律 (2)電流磁效應 (3)質量守恆定律 (4) 安培右手定則。 7.下列哪一種纜線在原料的輕重、傳送訊號的數量及穩定性最好? (1)金製纜線 (2)銀製纜線 (3)銅製纜線(4)光學纖維纜線。 8.為了讓線圈能維持不停的運動,必須要改變 (1)電流方向 (2)線圈面積 (3)線圈 匝數 (4)外加磁鐵。 9.一般的電話中必須要有 (1)電磁鐵 (2)電動機 (3)發電機 (4)條形磁鐵 才能將聲 音傳送出去。 10.傳送電話的電流會隨著 (1)聲音的振幅大小 (2)聲音的音調高低 (3)響度與音調 (4)沒有影響 而做不同的改變。 11.右圖的電磁鐵置於一馬蹄形磁鐵的兩 極之間,線圈分別接至電源的正、負 極,試回答下列問題: (1)軟鐵芯上端為 極,下端為 極。 (2)假設電磁鐵可以繞軸轉動,則此時將沿 方向轉動。(順時針、逆時針) (3)承(2),電磁鐵是否會一直轉動。 (4)承(3),最後電磁鐵的位置與原來的位置相比較,轉動 度。 12.右圖為一直流馬達的模型,電流方向 如圖所示,試回答下列問題: (1)圖中甲是 ,乙為 。 (2)導線 AB 部分,其電流是由  。 (3)將線圈視為電磁鐵,則線圈的 N 極 在 方(上方,下方),線圈沿 方向轉動。 (4)線圈轉動 1800後,導線AB 中的電流是由  。 (5)承(4),此時線圈的 N 極在 方,線圈沿 方向轉動。 (6)下列何者可以增加線圈轉動的速度? (a)線圈內置一軟鐵芯 (b)線圈內置一 純銅棒 (c)增加線圈的圈數 (d)增加電源的電壓 13.馬達電樞轉動的快慢,決定於下列哪些因素? (甲)線圈上的匝數(乙)串聯的 電池數 (丙)磁場的強度 (1)甲 (2)乙 (3)丙 (4)甲、乙、丙。

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14.馬達除轉軸外的基本重要構造有 、 、 、 等四項。 15.振動幅度的大小稱之為 ,頻率的高低則稱之為 。 16.電動機之轉動是利用哪一種效應? (1)電流熱效應 (2)電流磁效應 (3)電流化學 效應 (4)電磁感應。 12-6 磁可以產生電嗎? 自從厄司特發現電可生磁後,許多科學家就開始心存懷疑,電可生磁那磁可生 電嗎?於是於西元1831 年法拉第從實驗中發現的結果『當一線圈內的磁場發生 變化時,會因感應而產生電流』;因而解開磁生電之謎,並稱此所產生的電流為 感應電流。 <想想看> 何謂線圈內的磁場發生變化? <Ans>:當條形磁鐵迅速插入螺線形線圈中,則線圈中的磁力線數會有 2 條逐 漸增加為4 條,並持續增加,如下圖一(左右);若反向運動亦如同下 圖一,是由右左。若線圈與條形磁鐵均靜止不動,則線圈內之磁場沒 有任何變化,如下圖二;若線圈與條形磁鐵以相同的速度作同向運動 則線圈內之磁場沒有任何變化,如下圖三。 圖 一 圖 二 圖 三 實驗12 – 3 感應電流 實驗目的:觀察一線圈內的磁場發生變化時,會產生感應電流。 實驗步驟: step 1:如右圖所示裝置把導線所繞成的 多匝螺懸形線圈和一個中央指零

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型式的檢流計連接在一起。 step 2:將一條形磁鐵的 N 極迅速插入線 圈內,發現檢流計之指針發生偏 轉,表示線圈有電流之生成,如下頁圖(a)。 step 3:改將條形磁鐵靜置於線圈內不移動,發現檢流計之指針並不發生偏轉, 表示線圈沒有電流之生成,如下圖(b)。 step 4:將條形磁鐵迅速由線圈內抽出,發現檢流計之指針亦發生偏轉,表示 線圈有電流之生成,但電流方向(檢流計偏轉方向)與 step 2 相反,表 產生相反流向之電流。如圖(c)。 圖(a) 進入 圖(b) 不動 圖(c) 離開 step 5:改變不同的磁極進入或抽出,觀察其電流流向。 step 6:改變磁鐵不同的進入或抽出的速率,觀察其電流大小。 step 7:改變不同圈數的螺旋形線圈,觀察其電流大小。 實驗討論: 1.由 step 2、3、4 可知,檢流計指針往右偏轉時,表示電流由右邊流入;指針不 動時,表沒有電流產生;指針往左偏轉時,則表示電流由左邊流入。 2.由 step 5、6 可知,S 極插入與 N 極離開的電流方向是相同;同理 N 極插入 與S 極離開的電流方向亦是相同。且速率愈快則產生的電流愈大(指針的偏 轉角度愈大)。 3.由 step 7 可知,單位長度的線圈匝數愈多,則產生的電流愈大(指針的偏轉 角度愈大)。 4.當一線圈內有磁場變化時,線圈會感應而有電流生成。換言之,通有電流之 線圈,其周圍必產生磁場;但線圈周圍有磁場,並不一定會產生感應電流 ; 得於線圈內有磁場變化才行。 5.磁鐵和線圈發生相對運動時,運動速率愈大,磁場變化愈大,則產生的感 應電流就愈大。若相對運動停止時,感應電流亦隨之停止。 6.改變螺旋型線圈的線圈匝數亦可以改變感應電流的大小;單位長度內線圈匝 數較多時,磁場之總變化量愈大,故感應電流愈大。 7.當前述之條件均相同時,才考慮最後因素磁場強度,磁場愈強者,所產生的 感應電流則愈大。 何謂檢流計? <Ans>:可以測定微弱電流(10-8安培)的一種電流計,代號是 。其特性是,指針

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於中央時,表無電流經過;指針往右(左)偏轉表電流由右(左)方進入。 其目的是檢驗有無電流,而非測量電流大小。 一.電磁感應:當線圈內磁場發生改變時,使線圈產生感應電流的現象,即稱之 為電磁感應。 1.磁鐵與線圈互相接近或遠離時,線圈就會產生感應電流;且隨著磁極的進入 或離開,產生的感應電流方向亦隨之不同。如下圖所示。 2.線圈在磁鐵的兩極間轉動,由於線圈磁力線的夾角不同,通過線圈的磁力 線數亦會改變,如下圖。因此亦可產生感應電流。 線圈平行紙面,通過之 線圈垂直紙面,通過之 磁力線數為零 磁力線數最多 二.感應電流之大小及方向判斷: 1.大小:依法拉第定律來判斷。感應電流的大小與單位時間線圈內的磁場變化 速率成正比。 (a) 磁鐵與線圈間沒有相對運動時,感應電流為零。 (b) 磁鐵接近或離開線圈時,磁鐵的移動速率愈大,線圈產生的感應電流 愈大。 (c) 單位長度的線圈匝數愈多,線圈產生的感應電流愈大。 (d) 磁鐵的磁性愈強,線圈產生的感應電流愈大。 2.方向:依冷次定律來解釋,線圈內的磁場發生變化時,線圈會感應而產生 電流。此感應電流的方向,恆使此電流產生新磁場以抗拒原來磁場 的變化。

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(a) 線圈內的磁場增加時,感應電流產生的新磁場與原磁場的方向是相反 的。 (b) 線圈內的磁場減少時,感應電流產生的新磁場與原磁場的方向是相同 的。 (c) 線圈與磁鐵間的互相接近或離開時,產生的感應電流方向可由下圖解 釋。 感應電流的方向與磁鐵的移動方向關係圖 三.感應電流之應用(發電機): 1.原理:發電機是應用電磁感應原理,使線圈在磁極間迅速運動,而產生感 應電流的機械。若施力於一封閉迴路的線圈,在馬蹄磁鐵的兩極間 轉動時,則由於線圈的轉動,使得通過線圈的磁場發生變化,因而 產生感應電流。是一種將力學能轉換成動能的裝置。 2.構造:發電機的主要部份有 (1) 場磁鐵:產生磁場的固定磁鐵。 (2) 電樞:裝在場磁鐵中間,能自由轉動的多匝線圈。 (3)集電環:供導出電流用,金屬所製成。 3.種類:發電機可分為交流發電機與直流發電機兩種,其操作原理實際上是 相同的,所差異的地方是引出電流的方式而已。交流發電機是使用 兩個圓形金屬環;而直流發電機則是使用兩個半圓形金屬環;其構 造分別如下圖所示。而交(直)電流與時間關係圖,則如下頁圖所示。

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交流發電機 直流發電機 交流發電機產生的 直流發電機產生的 電池供給的電流 電流(交流電、AC) 電流(直流電、DC) (DC) 課外補充:交流發電機的發電原理 線圈的兩端分別連接在兩個圓形金屬環上,各環上接觸有固定位置的電刷,集 電環隨著線圈轉動,電刷的正、負極隨時間而改變。 (1)線圈的圈面垂直於磁場方向時,通過線圈內的磁力線數最多; 線圈的圈面平行於磁場方向時,通過線圈內的磁力線數最少(幾 乎為零)。 (2)線圈在磁場中轉動時,每轉動半圈,線圈內的電流方向即改變方向一次。如 下圖所示。 四.發電機與馬達的的比較: 發 電 機 馬 達 構造 場磁鐵、電樞集、電環 與發電機相似 作用 由磁場變化產生感應電流 由電流產生磁場 原理 電磁感應 電流的磁效應 種類 交流與直流兩種 交流與直流兩種 簡易判別 外力轉動線圈而產生對外供電感 應電流 外來電流通入,而線圈轉動對外 運作

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<小試身手> 1.下列敘述何者錯誤? (1)有電流時必有磁場 (2)有磁場時必有感應電流 (3)感應 電流的大小是磁場變化的速率而定 (4)磁場不發生變化,感應電流隨即消失。 2.發電機是將 (1)力學能變成電能 (2)電能變成力學能 (3)力學能變成熱能 (4)熱能 變成力學能 的裝置。 3.發電機是一種利用 產生電流的裝置。 4.感應電流的產生是由於線圈內 (1)磁場強弱的變化 (2)磁場方向的變化 (3)磁力 線數目的變化 (4)以上皆可。 5.感應電流的大小與磁場變化的快慢 (1)無關 (2)成正比 (3)成反比 (4)平方成正比。 6.下列各圖中,若 V 代表線圈或磁鐵的移動速度,箭頭代表移動方向,則哪些 線圈會有感應電流生成? (1)丙、丁 (2)乙、丙 (3)甲、丙(4)甲、丁。 7.以同一磁棒,在同一線圈中來回進出移動,下列何種速度可產生最大的電流? (1)4 次 / 秒 (2)3 次 / 秒(3)2 次 / 秒(4)1 次 / 秒。 8.兩組線圈繞在同一根軟鐵棒上如右圖所示。 當甲電路中的開關S 關上成通路時,乙電 路中有何現象發生? (1)有瞬間電流從 X 流向Y (2)有瞬間電流從 Y 流向 X (3)有 持續電流從X 流向 Y (4)有持續電流從 Y 流向X。 9.下列敘述何者錯誤? (1)長直導線所產生磁場的磁力線形狀是圓形 (2)電動機是 一種將電能轉換成力學能的機械 (3)發電機是一種將力學能轉換成動能的機械 (4)感應電流的大小與線圈內磁場的變化率成反比。 10.發電機的線圈於下列哪一個位置時,通過線圈的磁力線最多? (1)圈面平行 磁場 (2)圈面垂直磁場 (3)圈面與磁場交角 450 (4)以上均相同。 11.電動機與發電機 (1)構造相似,作用相同 (2)構造不同,作用也不同 (3)構造相 似,作用不同(4)構造不同,作用相同。 12.發電機的電輸每轉一周,感應電流的方向改變 (1)60 次 (2)2 次 (3) 1 次 (4)無 數次。 13.發電機是利用 原理,使線圈在磁場中,因轉動而產生 的裝置。 14.右圖是一發電機裝置,甲為 、 乙為 、丙為 。 15.感應電流的發生與電流的磁效應是 完全 的現象。

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一、 選擇 i(B)1. 有二天然磁鐵分置於一圓線圈之二側,如圖所示,今二磁 鐵同時以等速向右移動一小距離(此時二磁鐵仍在線圈之二 側),以圖中眼睛之位置視之,則線圈感應電流的方向應為 何? (A)順時鐘方向 (B)逆時鐘方向 (C)無電流 (D)以上皆 非 i(C)2. 下列敘述何者錯誤? (A)目前科學家尚未發現到磁鐵的 N 極或 S 極單獨 存在的證據 (B)當溫度升高時,磁鐵的磁性強度減弱 (C)所有的金屬材 料都可以磁化 (D)磁力線是一條封閉的曲線 i(A)3. 如圖,兩共平面之大小正方形線圈,外圈有沿順時鐘方向之電流, 調整可變電阻使電流隨時間減小時,則內圈導線上的感應電流為 (A)沿順時鐘方向 (B)沿逆時鐘方向 (C)沒有感應電流 (D)其方向視二 線圈邊長比而定 i(B)4. 如圖所示,當 A 線路中的可變電阻的接點 C 往下移動時,B 線路中 的感應電流方向為何? (A)順時鐘方向 (B)逆時鐘方向 (C)無感應電 流 (D)以上皆非 i(A)5. 把一磁棒自如圖的位置,從甲線圈內向右拉出,並使插入乙線圈內, 兩線圈內所產生的感應電流,流入檢流計的方向應為 (A)甲流向左, 乙流向右 (B)甲流向右,乙流向左 (C)甲、乙皆流向右 (D)甲、乙皆流 向左 i(B)6. 兩組線圈繞在同一根軟鐵棒上如圖。當甲電路中的開關 S 關上成通路時,乙電路中有何現象發生? (A)有瞬間電 流從 X 流向 Y (B)有瞬間電流 Y 流向 X (C)有持續電流從 X 流向 Y (D)有持續電流從 Y 流向 X i(D)7.將通有電流的線圈一端,靠近水平懸掛著的小磁棒,如圖, 則下列敘述何者正確? (A)甲圖中小磁棒與線圈無磁力作

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用 (B)乙圖中因被玻璃片隔絕,小磁棒不受線圈磁力影響 (C)乙圖中小 磁棒與線圈間有相吸引之磁力 (D)甲圖中小磁棒與線圈間有相排斥之磁 力 i(A)8. 線圈裝置如圖,將磁棒N極移近靜止的線圈,下列敘述何者正 確? (A)感應電流在線圈內產生的磁力線為由左向右 (B)感應 電流所產生的磁場,使線圈左端形成N極 (C)感應電流由左向 右流過檢流計 (D)磁棒靜止不動時,N極越靠近線圈,感應電 流越大 i(A)9. 圖列各圖中若 V 代表線圈和磁鐵的移動速度,箭頭代表移 動方向,則在線圈中有感應電流產生的是 (A)(丙)(丁) (B) (乙)(丙) (C)(甲)(丙) (D)(甲)(丁) i(D)10. 圖中線圈上的箭頭表示磁鐵的磁場所產生感應電流的方向。 問下列何圖是正確的? (A) (B) (C) (D) i(B)11. 如圖所示,線圈平置桌面上,一磁鐵由上方落下,則在磁鐵落下過 程中,桌上線圈會受什麼影響? (A)會產生順時鐘電流 (B)會產生 逆時鐘電流 (C)會產生方向不定的電流 (D)不會產生電流 i(A)12. 圖為電話話筒與聽筒的構造示意圖。話筒上的電路僅有電池供 應的直流電流流通時,甲線圈 a、b 端的極性為何? (A)a 為 N,b 為 S (B)a 為 S、b 為 N (C)a、b 為無極性 (D)a、b 極性會不斷 變換 i(B)13. 若感應線圈均不動,而磁棒靜止或如箭頭所示方向運動,試問 下列何圖感應電流的方向標示正確? (A) (B) (C) (D) i(C)14.在下列四種情況中,那一個線圈上所產生的感應電流方向與其它三個不 同?(圖中箭頭表示磁鐵或線圈的運動方向) (A) (B) (C) (D)

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i(C)15. 兩電路緊鄰放置如圖,按下開關接通電路一段時間後,再切斷開關 形成斷路。若接通電路瞬間,流經電阻器的電流由左向右,則下列 敘述何者正確? (A)接通電路瞬間,電磁鐵的左端為 N 極 (B)接通 電路一段時間後,安培計測得的電流不為零 (C)切斷開關瞬間,流經電 阻器的電流由右向左 (D)切斷開關一段時間後,電磁鐵的左端為 N 極 i(B)16.下列敘述何者正確? (A)磁棒從線圈中進出速率的快慢與線圈感應電流 大小無關 (B)將磁棒 S 極自線圈中快速抽出與將 N 極快速插入線圈,線 圈所感應的電流方向相同 (C)發電機是將電能轉變為力學能的機械 (D) 電動機是利用法拉第感應電流的原理所製成 i(B)17. 小明在物理實驗室中發現磁針並不指向南北方向;他分析可能的原因是 磁針附近有:(甲)磁棒(乙)載流導線(丙)銅棒(丁)毛皮摩擦後的塑膠尺。你 認為正確的原因是 (A)(甲) (B)(甲)(乙) (C)(乙)(丙) (D)(乙)(丁) i(D)18.下列四圖,在描述磁場與感應電流的關係,圖中線圈上的箭頭表示電流 的方向,(A)、(B)情況為磁棒緊靠線圈不動,(C)、(D)情況為磁棒正離開 線圈,其可能發生的情況為何圖? (A) (B) (C) (D) i(C)19.如圖,導線垂直穿過紙板,在板上撒下少許鐵粉,發現愈近中心處, 鐵粉愈清晰的以同心圓排列。若導線的電流增大,則排列得更規則。 僅由以上鐵粉圖樣的觀察,不能推知下列那一項結論? (A)愈接近 中心處,磁場強度愈強 (B)磁力線呈封閉的同心圓 (C)推知磁場方向 是順時鐘方向 (D)電流愈大,產生的磁場強度愈強 i(A)20. 一長直導線,垂直放置,通以由下而上的電流,在導線的正南方, 水平放置一羅盤,如圖,則羅盤磁針的 N 極將向何方偏轉? (A)東 (B)西 (C)南 (D)北 二、 填充 i1. 當磁鐵靠近線圈時,線圈上會有電流產生,此現象稱為_____。

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iANS: 電磁感應 三、 題組 i1. 一實驗將導線南北方向放置,在其上方放置羅盤,磁針與導線 平行,裝置如圖(一)。 (1)通入電流後,磁針偏轉角度 θ,如圖(二)。可見電流方向為 (A)由南向北(B)由北向南。答:_____。 (2)調整電源的電壓,測量輸入電流 I 與偏轉角度 θ 的關係如圖 (三)。以下敘述何者是不對的? (A)磁針偏轉角度與輸入電流呈 正比關係(B)若輸入電流一樣,匝數增多,偏轉角度會增大 (C) 磁針同時受到地磁和感應磁場的作用 (D)如利用以上裝置及圖 (三)關係圖,可用來測電流的大小?答:_____。 iANS: (1)(A);(2)(A) i2. 如圖(一)、(二)是電流磁效應的實驗裝置: (1)甲丙兩羅盤均放在導線正上方,乙羅盤放在導線 正下方。當開關接通後,各羅盤磁針 N 極偏轉的情 形是 (A)甲羅盤順時鐘方向偏轉 (B)乙羅盤逆時鐘方 向偏轉 (C)乙羅盤順時鐘方向偏轉 (D)丙羅盤順時鐘 方向偏轉。答:_____。 (2)在如圖中,甲羅盤置於右邊導線束的正上方,電路未接通時磁針在南北方 向,接通後下列何者是錯誤的敘述? (A)整束導線上的總電流是安培計上讀 數的五倍(B)五匝線束所造成磁針的偏轉角度是單匝時的五倍(C)磁針 N 極向 西偏轉(D)線束周圍產生環形的磁力線。答:_____。 (3)改變圖(二)中導線匝數,雖然匝數一直增加,但是甲羅盤磁針 N 極偏轉的 角度最多不會超過幾度? (A)180°(B)120°(C)90°(D)60°。答:_____。 iANS: (1)(D);(2)(B);(3)(C) i3.如圖,將漆包線繞在軟鐵棒上,再串接上電源與電阻 R,形成一個電磁鐵。 (1)在電磁鐵的右邊吊一個單擺,單擺的擺錘使用下列那個材料時,可以 被電磁鐵吸引? (A)保利綸球 (B)小鐵球 (C)小玻璃球 (D)小銅球。答:__ ___。 (2)如果要增加電磁鐵的磁場強度,下列那個方法是無效的? (A)增加電 源的電壓 (B)把電阻 R 換接更小的電阻 (C)增加繞在軟鐵棒上線圈的匝數 (D) 將軟鐵棒換成導電性更好的銀棒。答:_____。

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