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 電與磁大發現 電與磁大發現

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Academic year: 2022

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全文

(1)

課程名稱:電磁感應 課程名稱:電磁感應

編授教師:

中興國中 楊秉鈞

(2)

 電與磁大發現

(3)

電生磁大發現

磁針偏轉: DC

 「電生磁」大發現:

( 1 )發現者:西元 1820 年,丹麥人 厄斯特

厄斯特發現通有電流的導線其旁邊磁針居然偏轉了… . 。  顯示電流產生了 。

( 2 )影響:電流的磁效應。

磁場

丹麥人 厄斯特

Hans Christian Oersted 西元 1777 - 1851 年

(電 [ DC 、 AC ] 均生磁 )

(4)

 「磁生電」大發現:

( 1 )發現者:西元 1831 年,英國人 法拉第

法拉第發現通過線圈的磁場變化時,可產生電流。

 顯示磁場產生了 。

(產生瞬間電流:瞬間有,隨即無)

 此現象稱 。

 產生之電流稱 。 ( 2 )影響:發明第一個發電機。

磁生電大發現

電流

英國人 法拉第 Michael Faraday 西元 1791 - 1867 年 電磁感應

感應電流

(媒體: 1

, 3’54” )

(瞬間有,隨即無)瞬間電流

(5)

 電磁感應

(6)

 電磁感應: 電磁感應

( 1 )意義:通過線圈的磁場變化時,產生感應電流的現象 ( 2 )問題討論:

 如何能產生感應電流?

 產生感應電流的二個角色?

 檢測感應電流的器材?

 產生感應電流的條件?

 感應電流的方向如何判斷?

 影響感應電流大小的因素?

 感應電流的應用?

來電

角色 角色

條件 條件

方向 方向

大小 大小

應用 應用

(7)

 如何能

產生感應電流

(8)

如何能產生感應電流

 如何能產生感應電流:

( 1 )產生感應電流的二個角色:

 電磁感應:通過線圈的磁場變化時,產生感應電流的現象

 角色一: ( 或 )  承載電流  角色二: ( 或 ) 提供磁場

線圈(迴路) 單匝 多匝

磁場 永久磁鐵 電磁鐵

角色扮演 線圈

磁 場

多 匝

電磁鐵

單 匝

永久磁鐵 或

(9)

檢測感應電流的器材

 如何能產生感應電流:

( 2 )檢測感應電流的器材:

 電磁感應:通過線圈的磁場變化時,產生感應電流的現象  器材: 。(或安培計)

 檢測電流有無產生,零刻度在中央

 指針的偏向就是 的偏向(與電流 I 的方向相反)

 電路符號: 。 檢流計

電子流

由『指針偏向』:

可知電流 I 方向及電子流 e 方向

e

G

I

(10)

產生感應電流的條件

 如何能產生感應電流:

( 3 )產生感應電流的條件: 時,就會產生感應電流。

 電磁感應:通過線圈的磁場變化時,產生感應電流的現象  磁場變化:以線圈中的 表示磁場變化  磁場變化討論:

 △ B 0 :磁力線數目無變化時,無電流  △ B 0 :磁力線數目有變化時,有電流 a. B△ 0 :磁力線數目增加時

b. B△ 0 :磁力線數目減少時  常見磁場變化的情況:

 線圈與磁場,有 運動時  線圈與磁場,磁場(電磁鐵)的 電流 及 。

磁力線數目增減

 0

B

相對

接通瞬間 切斷瞬間

 後 

B B

2

B

1

(11)

( 3 )產生感應電流的條件:

 線圈與磁鐵間相對運動之討論:

 二者維持靜止時: 。

 二者等速同向運動時: 。

產生感應電流的條件

0 0  

B I

0 0  

B I

無相對運動

無相對運動

V

(12)

( 3 )產生感應電流的條件:

 線圈與磁鐵間相對運動之討論:

 二者接近時: 。

 二者遠離時: 。

產生感應電流的條件

0 0  

B I

0 0  

B I

(媒體: 1, 2, 6’58” )

有相對運動

有相對運動 V

V

(13)

範例解說

1. ( )下列各圖中若 V 代表線圈及磁鐵的移動速度,箭頭代

表移動的方向,則在線圈中有感應電流產生的是何者? 

( A )丙丁 ( B )乙丙 ( C )甲丙 ( D )甲 丁。

A

( 甲) ( 乙) ( 丙) ( 丁)

△B = 0 △B = 0 △B < 0 △B < 0

有相對運動

(14)

範例解說

2. ( )空心螺線形線圈上方懸吊一棒形磁鐵,磁鐵以下列方式運 動,如圖所示,哪些線圈會產生感應電流? 

( A ) 甲 ( B ) 甲乙 ( C ) 丙丁 ( D ) 甲乙丁。

D

△B

0

(15)

範例解說

3. 兩電路緊鄰放置如圖,依如下的步驟來操作則回答下列問題 步驟 甲:按下開關形成通路瞬間

步驟 乙:接通電路後維持一段時間 步驟 丙:再切斷開關形成斷路瞬間

 三步驟中,何者會使迴路中的磁場增加? 。  三步驟中,何者會使迴路中的磁場不變? 。  三步驟中,何者會使迴路中的磁場減少? 。  三步驟中,何者會使迴路產生感應電流? 。

 「瞬間」說明感應電流之型態為何? 。 甲

乙 丙 甲丙

線圈 磁場

) 0 :

( 甲 B

) 0 :

( 丙 B  ) 0 :

( 乙 B

瞬間有電流,隨即無

(16)

 感應電流

的方向如何判斷

(17)

 感應電流的方向如何判斷:

( 1 )提出者:西元 1834 年,冷次提出感應電流方向的決定法  其定律稱為 。

感應電流的方向如何判斷

冷次定律

俄國人 冷次

Heinrich Friedrich Emil Lenz 西元 1804 - 1865 年

(18)

冷次定律

 感應電流的方向如何判斷:

( 2 )冷次定律:

 內容:磁鐵的原磁場恆 線圈所產生的感應磁場

 說明例一:若永久磁鐵接近線圈時

 判斷程序:

 標原磁場 B 方向  標感應磁場 B’ 方向(恆反抗 B 之變化 )

 反推電流 I 方向( ) 反抗

原磁場

感應磁場

N S

B B’

I

I

螺線管右手定則

0 0  

B I

檢流計偏向= e 方向

反向 . B B' 與

,

"

磁場增加

"

 反抗

(19)

冷次定律

 感應電流的方向如何判斷:

( 2 )冷次定律:

 說明例二:有相對運動時,二磁鐵間可視作磁力之”互相反抗”

S N N S

I

N S

I

I

S N

I

 螺線管右手定則,反推 I

(20)

冷次定律

 感應電流的方向如何判斷:

( 3 )法拉第實驗:西元 1831 年  實驗裝置:如圖

 實驗觀察:

 A 線圈通電瞬間, B 線圈下磁針會偏轉

 A 線圈通以穩定電流時, B 線圈下磁針不會偏轉  A 線圈斷電瞬間, B 線圈下磁針會偏轉

直流電

磁針

B 線 軟鐵環 圈

A 線 圈

磁場

角色 角色

迴路

條件 條件

 0

B

(21)

冷次定律

 感應電流的方向如何判斷:

( 3 )法拉第實驗:西元 1831 年  解析:

 A 線圈通電瞬間, B 線圈下磁針會偏轉:

a. 通電瞬間: B 線圈磁場 。(∴要反抗 ”增加” ) b.B 線圈下的磁針會向 偏轉。

 A 線圈通以穩定電流時, B 線圈磁場 ,無電流。

直流電

磁針

B 線 軟鐵環 圈

A 線 圈 增加

B B’

西

不變

反向 . B B' 與

,

"

磁場增加

"

 反抗

N S

N N S

' I

I

方向 方向 冷次定律

 △B > 0

 △B = 0

 可視作相對運動間之反抗

(22)

冷次定律

 感應電流的方向如何判斷:

( 3 )法拉第實驗:西元 1831 年  原理解析:

 A 線圈斷電瞬間, B 線圈下磁針會偏轉:

a. 斷電瞬間: B 線圈磁場 。(∴要反抗 ”減少” ) b.B 線圈下的磁針會向 偏轉。

直流電

磁針

B 線 軟鐵環 圈

A 線 圈 減少

N S

B B’

S N

同向 . B B' 與

,

"

磁場減少

"

 反抗

N I ' I

 △B < 0

方向 方向 冷次定律

 可視作相對運動間之反抗

(23)

S

範例解說

1. ( )把一磁棒自甲線圈內向右拉出,並插入乙線圈左側,如 圖,則兩線圈之檢流計方向為何?

( A )甲、乙相同 ( B )甲、乙不同  ( C )甲、乙皆無電流  ( D )無法得知

B

N S

S N

I

I

△B < 0

順時針電流

I

檢流計偏向,是電流 I 的反 向

△B > 0

I

(24)

範例解說

2. ( )如圖所示,一磁鐵垂直於銅環面,當磁鐵以 N 極向銅環 靠近時,以圖中眼睛的位置觀察(設眼睛能辨明電流方 向),銅環感應電流的方向為何?

  ( A )順時鐘方向 ( B )逆時鐘方向

( C )先順時鐘方向,後為逆時鐘方向 ( D )無感應電 流。

A

N S

I

順時針 電流 B B’

反向 . B B' 與

,

"

磁場增加

"

 反抗

(25)

範例解說

3. 兩電路緊鄰放置如圖,依如下的步驟來操作則回答下列問題 步驟 甲:按下開關形成通路瞬間

步驟 乙:接通電路後維持一段時間 步驟 丙:再切斷開關形成斷路瞬間

 步驟 甲,產生的感應電流方向為 X 或 Y ? 。  步驟 乙,產生的感應電流方向為 X 或 Y ? 。

 步驟 丙,產生的感應電流方向為 X 或 Y ? 。

不產生電流 X

S N

N S

Y

S N

(相當於磁鐵 S 極接近)

(相當於磁鐵 S 極遠離)

Y X

(26)

丙:

甲:

範例解說

4. 如圖, A 線圈在 B 線圈內部,依如下的步驟來操作則:

步驟 甲:按下 A 線圈開關形成通路瞬間 步驟 乙:接通電路後維持一段時間

步驟 丙:再切斷 A 線圈開關形成斷路瞬間

 步驟 甲,產生的感應電流方向為 X 或 Y ? 。  步驟 乙,產生的感應電流方向為 X 或 Y ? 。

 步驟 丙,產生的感應電流方向為 X 或 Y ? 。

N S

B B’

Y

不產生電流

N S

B

反向

"

增加

"

反抗 ' , 0

B B B

同向

"

減少

"

反抗 ' , 0

B B B

B’

X

X Y

A B

X Y

A

B

(27)

B B’

範例解說

5. ( )如圖所示,線圈從磁場正下方向右移動,則流經線圈的 電流方向為何?

  (A) 甲  (B) 乙  (C) 無電流產生  (D) 無法判斷。

A

同向 B'

B, ,

"

減少

"

 反抗其

B 0

 標原磁場 B 方向

 標感應磁場 B’ 方向(恆反抗 B 之變化 )

 反推電流 I 方向(螺線管右手定則)

N

S

S N

甲 I

(28)

 影響感應電流

大小的因素

(29)

影響感應電流大小的因素

 影響感應電流大小的因素:

( 1 )法拉第定律:感應電流的大小與磁場變化速率成 比  磁場變化速率愈快,感應電流愈大

t I   B

N S

I

2 m s

m s 10

I

1

I

2

( web : 1

(30)

 影響感應電流大小的因素:

( 2 )影響感應電流大小的因素:

 定律:磁場變化速率愈快,感應電流愈大  原磁場與感應磁場,均愈 時:感應電流愈大  線圈導電性:線圈電阻小,感應電流大

 線圈內置磁性物質:有鐵芯,感應電流大

 線圈匝數(疏密程度):匝數密,感應電流大  磁鐵的磁場強度:磁鐵磁場強,感應電流大

t IB

影響感應電流大小的因素

N S

I

迴路 磁場

法拉第

(31)

範例解說

1. 磁棒由高度 h 公尺的位置自由下落,過程中穿過如圖的螺線形線圈,

則完成下表(重力加速度 g )

N

通過線圈上方時 通過線圈 下方時 感應電流

方向 檢流計

偏向 感應電流 大小比較

落下 的時間

Y

a

N

X

b

較小 較大

g t  2 h

I

I

g t X

gt

X 2

2

1

2

(媒體: 1

, 3’8” )

X Y

a b

I I

t IB

gt V

2

速率大

(32)

 電磁感應的應用

-變壓器 -發電機

(33)

 變壓器: 變壓器

( 1 )功用:改變(升高或降低) 電壓的裝置 ( 2 )構造:由鐵芯和繞在鐵芯上的兩組線圈組成

 :輸入交流電的線圈(圈數 N1 )  :輸出交流電的線圈(圈數 N2

( 3 )原理: 和  。

 改變圈數比(> 1 或< 1 ),可調節輸出電壓

 圈數多的線圈,其電壓 。(仍為 ;頻率 )

交流電 ( AC )

原線圈 副線圈

副線圈圈數 輸出電壓 原線圈圈數輸入電壓 

2 2

1 N

V N

V1

電磁感應 圈數 N  電壓

V

1 1

2

2

V

N

VN

(媒體: 1, 2’59” ; 2

, 9’34” )

大 V1

V2 N1 N2

電流的磁效應 I

t

磁場

迴路

AC 不變

9

圈 6

(34)

[ from :觀念物理 ]

 變壓器: 變壓器

( 4 )說明例:

( 5 )整流變壓器:兼具變壓及整流二種功能  將交流電變成直流電  改變電壓

N1=1 N2=1 N1=1 N2=2

(35)

範例解說

1. 曉華想利用自製變壓器使 AC 110V 、 60Hz 電壓轉換成 55V ,若輸入 端線

圈繞了 10 圈,則:

 那麼輸出端的線圈應該要繞幾圈? 圈。

 輸出的電流為 AC 或 DC ? ;頻率為 Hz 。

2 2

2

1

N N

V N

V

1

55

110  10

 N

2

 5

5

副線圈圈數 輸出電壓 原線圈圈數 輸入電壓 

2 2

1

N

V N

V

1

N V

AC 60

 變壓後,仍為 AC ,頻率不變

(比值相 等)

(36)

 發電機: 發電機

( 1 )功用:發電機是 轉成 的裝置 ( 2 )發明者:法拉第

( 3 )主要構造:  場磁鐵  電樞  集電環  電刷  直流發電機  交流發電機

力學能 電能

半圓形 二個

圓環形 二個

 0

B

(37)

發電機電樞轉動示意圖

0 ,  

 持續轉動過程中 B

N S

(38)

 發電機: 發電機

( 4 )電流大小與方向討論:

 直流發電機:

(媒體: 1)

( web : 1 , 2

(39)

 發電機: 發電機

( 4 )電流大小與方向討論:

 交流發電機:

( web : 1

( web :)1 , 2, 3)

(40)

 發電機: 發電機

( 5 )電動機與發電機比較:

電動機 發電機

裝置 電能轉成力學能 力學能轉成電能

構造 場磁鐵 電樞

集電環 電刷 場磁鐵 電樞 集電環 電刷 原理

說明 電生磁的應用 磁生電的應用

種類 交流與直流電動機 交流與直流發電機

電流的磁效應 電磁感應

(41)

簡易發電機

 簡易發電機:

( 1 )搖動式手電筒:

此手電筒使用時,需 。

其內的磁鐵會來回通過線圈,以產生 。 前後搖動

感應電流

開關 塑膠墊片

線圈

塑膠墊片

儲電裝置 磁鐵

(42)

簡易發電機

 簡易發電機:

( 2 )自製發電機:

當施力在曲柄狀的引線,使線圈快速轉動時,檢流計上的 指針會輕微偏轉,顯示有電流產生

(媒體: 1, 3’39 ; 2

, 1’24” )

(43)

範例解說

1. ( )下圖為一發電機的簡圖,線圈沿順時鐘方向轉動,下 列

敘述何者正確?

( A )感應電流的大小與線圈轉動速率無關  ( B )本裝置為直流發電機

 ( C )本裝置主要目的是將電能轉換為力學能

 ( D )線圈的圈數增加,感應電流愈大。

D

感應電流愈大:

 電樞匝數愈多  轉速愈快

 場磁鐵磁場愈強  電樞繞鐵芯

圓環形 二個  交流發電機

t I   B

(44)

範例解說

2. 下圖為一發電機的簡圖,若使線圈沿順時鐘方向轉動,則

 此發電機為 發電機(交流或直流)

 此時 ab 段導線中的電流方向如何?

( A ) b 流向 a ( B ) a 流向 b ( C )無電流產 生

交流

S

N

B

( web : 1

圓環形 二個

 交流發電機

( fig.from :

http://sciencecity.oupchina.com.hk/npaw/stud ent/chi/glossary/flemings_right_rule.htm )

佛萊明右手定則

線圈受力方向 F

磁場方向 B

感應電流 方向 I a

b

(45)

法拉第與戴維

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戴維是個貢獻卓著的科學家,是法拉第的老師… . 有人問戴維你一生最 大的科學成就是什麼! 戴維說:『 。』我發現了法拉第

電 學 之 父 無 機 化 學 之 父

(46)

課程結束

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