第十二章 電流與磁
講義
12-1 磁鐵 12-2 磁場
12-3 電流的磁效應 12-4 電磁鐵
12-5 馬達與電話
12-6 磁可以產生電嗎?
第十二章 電流與磁
★12-1 磁鐵
一、 磁鐵:一般把可以吸引鐵器的物體稱為_______。
二、 磁鐵的性質:
(一)磁極:
1.以細線懸吊的棒形磁鐵轉動後會慢慢停止,此時磁鐵兩端會指在____、_____方向上。
2.指向北方的一端叫做磁鐵的________極或_____極;
指向南方的一端叫做磁鐵的_______極或____極。
3.正電荷或負電荷可以單獨存在,而磁鐵的 N 極和 S 極卻總是成對存在。
(二)磁性物質:可被磁鐵吸引的物體,大都由_____、______、______或其合金所構成。
(三)磁性強度:
1.磁鐵兩極磁力最強,中間部分則較弱。
2.磁鐵不需接觸磁性物質,即可產生作用力。
(重力、靜電力、磁力皆為非接觸力,又稱為超距力)。
(四)磁極間的交互作用:
1.兩磁鐵的 N 極(或 S 極)互相靠近時,會發生互相排斥的作用,
即同名磁極會互相排斥。
2.一磁鐵的 N 極靠近另一磁鐵的 S 極時,會發生互相吸引的作用,
即異名磁極會互相吸引。
(五)磁化:以磁鐵靠近磁性物質時,近端產生異名極,遠端產生同名極的作用。因此磁鐵可 以吸引磁性物質。
(六)暫時磁鐵與永久磁鐵
1.暫時磁鐵:當磁鐵移除後即無法保有磁性的物質,稱為軟磁鐵或暫時磁鐵。
例如:鐵釘、迴紋針等(此種材料較易被磁化)。
2.永久磁鐵:磁化後可長期保有磁性者,稱為硬磁鐵或永久磁鐵。
例如:鋼釘(此種材料較不易被磁化)。
三、如何保存磁鐵,使其磁性較不易消失?
答:將磁鐵的異名極並排或相吸,磁性較不易消失。
【自我挑戰】
1. 右圖中,以_____點磁性最強,_____點磁性最弱。
2. 磁鐵的兩極性質不同,同名極會互相_______,異名 極會互相______,這種力量稱為磁力。
3. 當磁針靜止時,指向南方的一端稱為指南極,或以英文字母____極表示;指向北方的一端 則以英文字母____極表示。
4. 將一支暫時磁鐵移近磁鐵的 N 極時,靠近 N 極的一 端生成____極,遠端生成_____極,這種現象稱為__
_____。
5. 某生取磁鐵、鐵釘、磁針、鐵粉分別作下列二個實驗:
(1) 右圖(一)中的鐵釘移近磁鐵的 N 極,但未接觸,
N S
A C B
此時二者間(A)沒有作用力(B)二者相吸(C)二者相斥。______
(2) 承(1),鐵釘的甲端會磁化而生____極,下方磁針的乙端為____極。
(3) 右圖(二)中的鐵釘是否會吸引鐵粉?____;若將磁鐵移走,則鐵釘是否會吸引鐵粉?_
_____
★12-2 磁場
一、磁場
(一)有磁力作用的空間,稱為_______。
(二)磁鐵會在附近周圍空間建立磁場,藉由磁場對其他物體產生磁力作用。
(三)在磁場的範圍內,磁針____極所指的方向,就是磁場的方向。
(四)將羅盤放進磁場中,磁針就會受到磁鐵的磁力作用而發生偏轉。磁性物質進入磁場中
,會被磁化而具有磁性。
二、磁力線
(一)將鐵粉撒在磁鐵周圍,鐵粉顆粒所串連成的曲線,就是________。
(二)科學上規定構成磁力線各點上磁針____極的指向,即為磁場方向,也就是磁針 N 極 在磁場中所受磁力的方向。(在磁力線上任一點的切線方向,即該點所受磁力的方 向。)
(三)每一條磁力線都是封閉的平滑曲線;磁力線的方向,在磁鐵外部,是從___極指向__
_極;在磁鐵內部,則從____極指向____極。
(四)在磁鐵兩極處,鐵粉顯現的磁力線最密集,離兩極愈遠,磁力線愈疏鬆,表示磁力 線的疏密程度代表磁場的強弱,在磁鐵的兩極處,磁場最強,離磁極愈遠,磁場就 愈弱。
(五)磁力線之間彼此不相交。
(六)常見之磁力線圖形
三、 地磁:地球的周
圍空 間存在的磁場,
使指 南針指在南北向
上。
【自我挑戰】
1.有磁力作用的空間,稱為_______。
2.磁場是有方向性的,磁場的方向就是磁針____極所指的方向。
3.在磁極的附近,通過的磁力線較_____,磁場較_____。
4.指南針是受到______的作用,而指向南方。
5.將某一磁針放在磁場中,如右圖的平衡方向,則此磁針所受磁力的 方向為_____
6.右圖馬蹄形磁鐵的周圍磁場中,A 點的磁場方向應為_______;
B 點的磁場方向為______;C 點所受磁力的方向為_______。
( )7.地球上的磁力線方向大致上為
(1)由東向西(2)由西向東(3)由北向南(4)由南向北
( )8.磁場方向與所受磁力方向(1)垂直(2)一致(3)無關(4)視磁力大小而定
( )9.磁力線的敘述何者錯誤?(1)磁力線的疏密程度代表磁場的強弱(2)磁力線愈靠近兩極,
磁場愈弱(3)磁力線上任一點的切線方向即為磁場的方向(4)磁力線在磁鐵外部是由 N
極指向S 極
10.將三個磁鐵排列在一起,其磁力線分布如右圖,
則各點的磁性應該是:A 端_____極;B 端_____極;
C 端_____極;D 端____極;E 端_____極。
★12-3 電流的磁效應
一、電流的磁效應
厄司特發現:任何通有電流的導線,都可以在其周圍產生磁場的現象,稱為電流的磁效應,
其效果與磁鐵建立的磁場相同。
二、載流直導線的磁場
(一)現象:在通電流的長直導線周圍,會有磁場產生,其磁力線的形狀為一封閉的同心 圓,且磁場的方向與電流的方向互相_______。
(二)安培定律:通有電流的長直導線周圍所建立的磁場強弱
,和導線上的電流大小成____比,和導線間 的距離成____比。
(三)磁場(或磁力線)的方向:可由安培右手定則來決定,
如右圖。
1.電流方向:右手握住導線,大姆指指向電流的方向。
2.磁場(或磁力線)方向:四指所指的方向。
例1.下圖(1)中未通入電流,磁針 N 極皆指向北方;
下圖(2)中電流由上而下,磁針 N 極的指向沿順時鐘方向;
下圖(3)中電流由下而上,磁針 N 極的指向沿逆時鐘方向。
例2.一固定南北向之長直導線,
通以電流時,導 線附近的磁 針發生偏轉的情形如右圖所 示。
【自我挑戰】
1.將導線垂直穿過水平玻璃板,在板面上均勻地散布鐵屑,如右圖所示,
則:
(1)若導線內有電流通過,則鐵屑會排列成_________形。
(2)在實驗中,若鐵屑形狀不明顯,可以輕敲玻璃板,以減少鐵屑與玻 璃板的_______,即可比較明顯的看出鐵屑的形狀。
(3)若取一小磁針,檢驗導線周圍磁場的方向,可以發現當電流由上往下流 時,俯視觀察磁力線是____時鐘方向。
圖 (1) 圖 (2) 圖 (3)
2.將導線、羅盤、安培計、電池裝置如右圖,磁針在水平導線的上方,則:
(1)按下開關時,磁針 N 極向____方偏轉;若電池反接,則磁針 N 極向 ____方偏轉。
(2)若將磁針鉛直提離導線,則磁針的偏轉角度將變____(填大或小)。
(3)將電池數由一個變為兩個串聯,則磁針的偏轉角度將變____(填大 或小)。
(4)承(1)將導線由原來的一圈線圈換成五圈,通電後磁針偏轉之角度比(1)偏轉之角度____(大 或小)。
( )3.在右圖中,將羅盤置於右邊導線束的正上方,電路未接通時 磁針呈南北方向,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 5 倍
(B)5 匝導線束所造成的磁針之偏轉角度是單匝時的 5 倍 (C)磁針 N 極向西偏轉
(D)線束周圍產生環形的磁力線
★12-4 電磁鐵
一、單匝圓形線圈的磁場:一條長直導線彎成圓形,從磁力線的分布看來,很像一個圓盤形的 薄磁鐵所造成的磁場,以圓內磁場較大,圓外磁場較小。
二、螺線形線圈的磁場
(一)螺線形線圈相當於數十個圓盤形薄磁鐵之N 極與 S 極頭尾相 連所形成的磁場,就好像一個長圓柱形磁鐵所造成的磁場,
如右圖。
(二)通有電流的螺線形線圈繞得愈緊密,也就是說單位長度內的 匝
數愈多,則軸心處的磁場愈強。
(三)螺線形導線所繞的圓直徑愈小,其中心磁場愈大。
三、螺線形線圈磁場方向的判定:安培右手定則變化
(一)以右手握住線圈,四指彎曲指向電流方向,大拇指所 指
的方向即為線圈N 極的一端,也就是線圈內磁力線的 方向。
(二)在線圈內部,磁力線的方向是由____極指向____極,離 開線圈後,磁力線的方向是由____極指向____極。
四、 電磁鐵
(一)將鐵釘(或軟鐵)插入一螺線形線圈內部,則當線圈通有電流時,線圈內部的磁場 將使鐵釘磁化。
(二)鐵釘磁化後所生成的磁場,加上原有線圈內的磁場,使得總磁場強度大為增強。
(三)當電流切斷時,線圈及鐵釘的磁性隨即消失,利用這種方式得到的磁鐵,稱為電磁 鐵。電磁鐵可藉增大電流及增加線圈數,使其磁力遠大於天然磁鐵。
(四)商業用強力電磁鐵,通入大量電流時,可以吊運巨大的鋼板或廢棄汽車。安培計、伏 特計中也有電磁鐵。
【自我挑戰】
( )1.通有電流的螺線形線圈繞得愈緊密,其軸心處的磁場會有何變化?
(A)磁場愈強 (B)磁場愈弱(C)磁力線愈稀疏 (D)磁力線的方向會發生改變
( )2.下列各線圈中通以相同的電流,則何者的磁力最弱?(A)長度 10 公分,20 匝 (B)長度 5 公分,20 匝 (C)長度 10 公分,10 匝 (D)長度 5 公分,10 匝
( )3.下圖的線圈中,從磁場的分布來看,
與右列哪一個磁鐵相同?
( )4.將導線圍成一環放在平面上,如右圖所示,其中心處的磁場方向為何?(A) 向右 (B)向左 (C)垂直紙面向上 (D)垂直紙面向下
( )5.承上題,A 點在線圈內,B 點在線圈外,則何者的磁場較大?(A)A (B)B (C)相同 (D)不一定
( )6.螺線形線圈所產生的磁場大小,與下列何者無關?(A)線圈的直徑大小 (B)電流強度 (C) 線圈單位長度的圈數 (D)線圈的方向
( )7.右圖的線圈位於鉛直面上,則磁針的 N 極在導線通電後偏向 (A)東 (B)西 (C)南 (D)北。
( )8.在一載流螺線形線圈內部插入一支原本不具磁性的鐵釘,則 磁
場會有何變化?
(A)螺線形線圈磁場變小 (B)鐵釘會由軟鐵變硬鐵 (C)總磁場會比只有螺旋線圈磁場大 (D)沒有任何改變
( )9.以下哪一項不是利用電磁鐵而做成的工具?
(A)電話卡 (B)安培計 (C)伏特計 (D)電鈴
10.寫出下列各圖軟鐵棒右端的極名(N 或 S)分別為 (1)______ (2)______ (3)______ (4)______
11.如右圖,U 形軟鐵棒繞上線圈,通電後,A 端為磁棒的____極。
12.螺線形線圈中通電流時,每一圓形導線所建立的磁場均為_______(填同向或向),
可以互相______ (填增強或減弱),結果造成磁場和條形磁鐵完全相同。
★12-5 馬達與電話
一、馬達(又稱電動機):是將電能轉變為動能的裝置,如右 圖。
(一) 構造:
1.線圈(電樞)和鐵芯:以細漆包線在鐵芯外 部纏繞成線圈,以線圈連接轉軸可以自由轉 動。此為電磁鐵。
2.場磁鐵:為永久磁鐵,置於線圈外圍。
3.集電環(半圓形金屬環):漆包線兩端引線各 連接在兩個緊貼轉軸的半圓形金屬環上。
4.電刷:與集電環微微接觸,電源提供的電流由電刷輸入或自線圈輸出。
(二) 原理:
1.直流電源流入電磁鐵的線圈中,電磁鐵產生磁場,並與場磁鐵的磁場產生排斥。
2.每轉______度,必須改變電流方向,線圈極性隨之改變,使電磁鐵與外圍磁場始 終
保持,排斥狀態,才能讓線圈持續轉動。
3.電源提供的電流經由電刷進入線圈,但電刷與集電環只有微微接觸,並不隨集電環 轉軸及線圈纏繞的鐵芯旋轉。
二、電話:西元1876 年,由美國科學家貝爾所發明 。
(一)構造:如右圖。
1.話筒:由金屬薄板和內裝碳(石墨)粉的盒子構成。
盒內碳粉被壓縮較緊密時,電阻較小,通過電流較 大;盒內碳粉被壓縮較疏鬆時,電阻較大,通過電 流較小。因此產生的電流會隨聲音的響度和音調作 不同的改變
2.聽筒:由電磁鐵和金屬薄片所構成。
3.電纜線:可以銅線或光纖為材料。
(二)原理:發聲 金屬片振動 壓縮碳粉 產生大小不同的電流 電纜傳輸 電磁鐵 金屬片振動 發聲
(三)光學纖維(光纖)纜線:隨著科技不斷的進步,細小的光纖纜線現已逐漸取代傳統的 銅纜線;利用_________發射訊號,沿著光纖纜線,可以 傳遞訊號到很遠的地方而不 必使用訊號放大器,使得人們傳遞訊息的數量更為龐大與快速。
【自我挑戰】
( )1.馬達的結構中,何者是改變輸入線圈電流方向的裝置?
(A)電話 (B)磁鐵 (C)半圓形金屬環(D)鐵芯。
( )2.以下哪一項馬達裝置並不會隨著馬達轉動?
(A)電刷 (B)半圓形金屬環 (C)電磁鐵 (D)轉軸。
3.馬達轉動時,每轉_____圈,輸入線圈的電流方向就改變一次。
4.科技不斷進步,體積______(填大或小)、利用_________傳遞訊息的________纜線已逐漸
取代傳統的銅纜線。
5.電話的話筒由金屬板和_________構成;聽筒中由________和金屬薄片所構成。
6.電話話筒中裝碳粉的盒子受金屬薄板振動的影響,當盒內碳粉壓縮較緊密時,電阻變____
_,致電流變_____;碳粉盒被壓縮較疏鬆時,電阻較_____,致電流變_____,因此電流會 隨聲音的_____和________(填:響度、音調或音色)而做不同的改變。
★12-6 磁可以產生電嗎?
一、法拉第的發現:
西元1831 年英國人法拉第經實驗發現:如果在線圈中有一磁場,原來沒有電流的線圈,
會因線圈內的磁場發聲變化而產生電流。因此發現,法拉第製造了人類史上的第一部發電 機。
二、電磁感應
(一)當一個線圈內的磁場發生變化時,線圈會有電流產生之現象稱為__________,而產 生的電流稱為__________。
(二)感應電流的討論:
1.當磁鐵靠近或遠離線圈時,線圈內的磁場就發生變化,此時線圈會有電流產生,
因此檢流計的指針誰發生偏轉(偏轉方向為電子流的方向)。
2.若改以線圈靠近或遠離磁鐵,線圈內的磁場也會發生變化,線圈產生的電流,也 能使檢流計的指針發生偏轉。
3.增加線圈的圈數或使線圈內磁場的變化速率加快,可使線圈產生的電流增大。
(三)法拉第定律:感應電流的大小和線圈內磁場的變化率成正比。
三、發電機:是將______能轉變為______能的裝置,構造如右圖所示。
(一)構造:
1.場磁鐵:產生磁場的磁鐵。
2.電樞:置於磁鐵中間,能自由轉動的多匝線圈。
3.集電環:連接線圈的兩個金屬環。
4.電刷:與集電環微微接觸,當感應電流產生,此 電
流可經電刷導出。
(二)原理:以動力使線圈在磁鐵的兩極間快速轉動時,
通過線圈的磁場大小就不斷的隨時間改變,此時線圈就有感應電流產生。
【自我挑戰】
1.因磁場發生變化而產生電流的現象稱為___________,而產生的電流就是__________。
2.發電機主要是應用_________原理,使線圈在磁場中轉動而產生________電流。
3.感應電流的大小和線圈內磁場的變化速率成_____比,稱為__________定律。
4.增大感應電流的方法:(1)增加線圈的_______;(2)使線圈內磁場變化速率_________。
5.發電機是將_______能轉變為______能的裝置。
6.如右圖所示,將線圈的兩端接於檢流計上,試回答下列問題:
(1)取條形磁鐵的一端迅速插入線圈內,則此安培計的指針將 (A)靜止不動 (B)會偏轉 (C)偏轉後歸零。 _______
(2)條形磁鐵插入線圈內的速率愈快,安培計的指針偏轉角度愈 _____。
(3)當條形磁鐵插入線圈內停止不動,安培計的指針會指向______。
(4)當條形磁鐵由線圈內迅速抽出,安培計的指針會
(A)靜止不動 (B)會偏轉 (C)偏轉後歸零。_____
( )7.兩組繞在同一根軟鐵棒的線圈,如右圖,當甲電路 S 接 上成通路時,乙電路有何現象發生?
(A)乙電路上也會有電流產生
(B)只要甲電路開關 S 一直維持在接通狀態,乙的電流也
會一直維持
(C)乙電路不會有電流產生
(D)必須軟鐵棒在乙線圈內做相對運動才會有感應電流產生。
( )8.空心螺線形線圈上方懸吊一條形磁鐵,磁鐵以各種方式運動,如下圖,則哪些方式會 產生感應電流?(A)甲乙 (B)甲丙 (C)甲乙丙丁 (D)甲乙丁
※本章回顧 解釋名詞:
1.磁化:
2.電流的磁效應:
3.安培定律:
4.法拉第定律:
5.電磁感應:
電流磁效應的磁場方向判斷:(安培右手定則)
1.長直導線:拇指:
四指:
2.螺線形線圈:拇指:
四指: