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磁 磁场 图片

发布时间:2013-10-26 12:46:50  

第 十二 章

電流與磁

12-1 磁鐵 ? 磁鐵的簡史 ? 戰國時期 ?『司南』 ? 北宋時期 ?『指南魚』、『指南針』

司南

指南魚

指南針

EXP小實驗

用大頭針、保利龍仿製一個『指南魚(針)』?

12-1 磁鐵 ? 磁鐵的磁極 ? 磁鐵意義 ? 能吸引鐵器的物體 ? 磁鐵磁極 ? 以自由旋轉的磁鐵之指向判定 1.指北極:指向北方的一端? N 極 2.指南極:指向南方的一端? S 極
◎ 指向並非剛好正南北向(地理上的南北極)

12-1 磁鐵 ? 磁鐵的性質圖說 ? 磁鐵磁性 ? 同極相斥、異極相吸

12-1 磁鐵 ? 磁鐵的性質圖說 ? 磁場強度 ? 二端磁極磁場強、中央弱

Q 小問題

棒形、馬蹄形甚至圓形的磁鐵如何決定N、S極?

12-1 磁鐵 ? 磁鐵的性質圖說 ? 磁鐵分割 ? N、S極必成對出現 ◎ 切割方向 1.向N、S連線縱切 ? 會產生新磁極 2.向N、S連線橫切 ? 不會產生新磁極

N N N

S S S

2.橫切

1.縱切

12-1 磁鐵 ? 磁鐵分割 ? N、S極必成對出現

? 有新磁極產生

? 沒有新磁極產生
Q 小問題 折斷的磁鐵從斷面靠近,是會相吸引還是排斥呢?

12-1 磁鐵 ? 磁鐵的性質 ? 磁鐵磁性 ? 同極相斥、異極相吸 ? 磁場強度 ? 二端磁極磁場強、中央弱 ? 磁鐵分割 ? N、S極必成對出現(不單獨存在) ? 磁力與電力之比較 1.相同:? 皆有排斥與吸引力。 ? 皆屬『超距力』(非接觸力)。 2.相異:正、負電荷可單獨存在, 但N、S極必成對存在。

12-1 磁鐵 ? 磁化與磁性物質 ? 磁化 ? 使物質具有磁性 ? 磁性保留之久暫 1.永久磁鐵(硬磁鐵):鋼釘(鋼) ? 不易磁化,但磁化後磁性不消失。 2.暫時磁鐵(軟磁鐵):鐵釘(熟鐵) ? 易磁化,但磁化後磁性即刻消失。 ? 磁性物質 ? 含有鐵、鈷、鎳金屬元素 ? 可被磁化 ◎ 非磁性物質:不可被磁化的物質
(不含有鐵、鈷、鎳金屬元素)

Q 小問題

電鈴構造中,打鈴聲的材質是鐵材?還是鋼材質?

12-1 磁鐵 ? 磁化與磁性物質圖說
磁化: 近端生異性極, 遠端生同性極 ?將釘子從中拔開,發生? ?釘子是鐵?還是鋼材?
S N

S N

EXP小實驗

?

?

12-1 磁鐵 ? 磁鐵範例
eg1.兩根形狀、大小、長短均相同,而且沒有任何標記的金 屬棒。大雄不藉其他工具,判斷這兩根金屬棒是 否具有磁性,並能分辨出來,他的方法如下: ? 將兩根金屬棒貼標籤,標明甲、乙。 ? 將兩根金屬棒互相靠近,發現兩棒僅能互相吸引,但 不能互相排斥。 ? 將兩棒排成如(a),可互相吸引而不脫落。 ? 將兩棒排成如(b), 則不能相吸而脫落。 甲 則甲、乙兩棒何者具有磁性? 。 甲

乙 (a)

(b)



12-1 磁鐵 ?

磁鐵範例
eg2. ( )如圖為一棒形磁鐵折成兩段的情形,何者錯誤? (A)一磁鐵折斷後的兩段磁力都消失了 (B)一磁鐵折斷後,變成兩個小磁鐵 (C)如圖,甲端為 N 極,乙端為 S 極 (D)一磁鐵被折斷後的磁力減弱 eg3. 手持一磁鐵,將其N 極靠近鐵釘,鐵釘下方再置一小磁 針,則甲為 極 ,乙為 極,丙為 極。 eg4.( )將一磁鐵靠近一鐵棒,能 使鐵棒變成暫時磁鐵,此現象為? (A)靜電感應 丙 (B)電磁感應 (C)電流的磁效應 (D) 磁化

12-2 磁場 ? 場的意義 ? 超距力作用的空間;磁場、電場、重力場。 ? 磁場 ? 磁場形成 ? 有磁性者在其周圍建立磁場 ? 距離近,磁場強(F 與 r2 反比)。 ? 磁場影響 ? 只有磁性物質進入磁場中,才會受影響

12-2 磁場 ? 磁場的物像化一 ? 以鐵粉灑在磁場中,形成的圖樣比擬之 ? 磁力線

Q 小問題

只看鐵粉排列,能分出磁鐵哪一端是N、S極嗎?

12-2 磁場 ? 磁力線圖說 ? 從圖中,只看到鐵粉的排列情形
1 2

S

N

S

N

S

N

N

S

Q 小問題

圖1、2的磁極方向排列不同,磁力線的差異為何?

12-2 磁場 ? 磁場的物像化二? 建立磁力的方向性 ? 以小磁針擺置磁場中,形成的圖樣比擬之 ? 定義:磁場的方向 ? 磁針在磁場中的 N 極指向為其受力方向 ? 磁力線上任一點的磁場方向為其切線方向 ? 由磁鐵 N 極指向S 極(磁鐵內部由S極指向N極)

12-2 磁場 ? 磁力線磁場方向圖說 ? 從圖中,只看到鐵粉的排列情形

A C D B

Q 小問題 標示出圖中A、B、C、D四位置的磁場方向?

12-2 磁場 ? 磁力線磁場方向圖說

12-2 磁場 ? 磁力線性質 ? 封閉平滑曲線(形成立體結構) ? 疏密程度表示磁場強弱 ?磁力線密集處,該處磁場強。 ? 任二條磁力線絕不相交 ? 磁場的方向:由 N 極指向 S 極(切線方向)

12-2 磁場 ? 地磁的存在 ? 假想地球內部有一個大磁鐵,這便是影響指 南針能指向南、北向的原因。
地理北極 S

地磁北極

N

地磁南極

地理南極

12-2 磁場 ? 地球磁場(注意:內部假想磁鐵的N、S極)

12-2 磁場 ? 磁場範例
eg1.一支鐵釘放在二支條形磁鐵附近,A、B、C、D分別為 兩磁鐵的磁極,箭頭表示磁力線方向,如圖所示,若於此 情況下,鐵釘的 E 極會吸引指南針的 S 極,則: A是 極,B是 極,C是 極,D是 極。

eg2.磁力線分布情形,如圖,將A、B、C、D三磁針置於磁 場中,磁針N極的指向為何? C B D

12-2 磁場 ? 磁場範例
eg3. ( )地球具有磁場,何圖可表示地球之磁力線圖形?

eg4. 甲乙丙為磁力線圖樣,是由圖二的磁鐵排列而成,則: ? 甲圖是 排列的。 ? 乙圖是 排列的。

? 丙圖是 排列的。 (以a、b、c填答)

12-3 電流的磁效應 ? 歷史 西元1820年丹麥人厄司特發現 ? 意義 通有電流的導線,周圍有磁場產生

Q 小問題 鋁是非磁性金屬,通以電流。周圍會產生磁場?

12-3 電流的磁效應 ? 長直載流導線的磁場大小 ? 法國人安培發現:安培定律 ? ? 磁場強度(B)與導線的電流大小(I)成正比
? 磁場強度與該點與導線間(r)的距離成反比

? 磁力線封閉同心圓柱體

I B? r

12-3 電流的磁效應 ? 長直載流導線的磁場方向 ? 安培右手定則判斷出 N 指向(逆時針或順時針) ? 磁力線上任一位置的磁場方向是切線方向

12-3 電流的磁效應 ? 載流長直導線的磁場圖說(同心圓柱)
A B C

D E

磁針在導線上方
磁針在導線下方 Q 小問題 如圖的A、B、C、D、E五位置的磁場強度順序?

12-3 電流的磁效應 ? 長直載流導線的磁場方向 ? 安培右手定則(右手握導線) 大拇指指向電流方向,四指彎曲的方向為磁場方向 (電流方向與磁場方向垂直)

12-3 電流的磁效應 ? 安培右手定則圖說(向著電流直視)

順時針方向

逆時針方向

? 表電流垂直射入紙內

?表電流垂直射出紙外

12-3 電流的磁效應 ? 載流長直導線的磁場圖說(同心圓柱)
N N N N

S

S

S

S

I

I

I

I

Q 小問題 如圖的磁針指向,你會判斷?

12-3 電流的磁效應 ? 小磁針在磁場中的偏轉角度【補充】 ? 偏轉的方向是合力綜合的淨效果 ? 應考慮地磁 與電磁場 對磁針的影響 ? 磁針只受地磁時 ? 指向南北向
N

?
S

N S

? 磁針受地磁與電磁時 ? 合力指向對角線方向
N

?
S

12-3 電流的磁效應 ? 電流的磁效應 實驗12-2 圖說

?視同心圓兩側的磁場 ?視同心圓上、下的磁場
Q 小問題 磁針偏轉角度受電流影響?如何增加電流大小?

12-3 電流的磁效應 ? 電流的磁效應範例
eg1. ( )下列各圖中磁力線的繪圖,何者正確?

eg2. 如圖,甲丙磁針放在導線正上方,乙磁針放在導線正下 方,當開關接通後: ? 磁針會順時針偏轉。 ? 磁針偏轉角度最大。 ? 改變圖中導線匝數,雖然 匝數一直增加,但甲磁針 N極偏轉的角度最多不會超 過幾度? 。

12-3 電流的磁效應 ? 電流的磁效應範例
eg3. 導線垂直穿過水平紙板,紙板上 放置甲、乙、丙三磁針,當電路 接通後,則: ? 三磁針的偏向如何? ? 把甲磁針垂直上提至P點, 偏轉角度變化? 。 ? 可變電阻滑鍵往M滑動, 甲磁針的偏轉角度變化? eg4. 羅盤置於導線束正上方,電路接 通後: ? 磁針N極向 偏轉。 ?( )五匝線束產生的偏轉 角度是單匝線束的偏轉角度 之五倍。(是非)

12-4 電磁鐵

? 螺旋形線圈 ? 將長直導線彎曲,磁場增強。(磁力線密集) ? 單位長度的匝數愈多,磁場愈強。

12-4 電磁鐵 ? 螺線形線圈的磁場 ? 磁力線(灑小鐵粉、再換小磁針 ) ? 螺旋形線圈的磁場近似長棒狀磁鐵

S

N

S

N

? 螺旋形線圈因電流磁效應,形成了電磁鐵 所以也具有N、S 極

12-4 電磁鐵 ? 如何增加螺線形線圈的磁場 ? ? 增加電流(增加電池數)(B ? I) ? 增加單位長度的匝數(B ? N) ? 線圈內部放入易於磁化的物質
B D

A

C

H
F E Q 小問題 A ~ H 八個線圈的磁場強度順序? G

12-4 電磁鐵 ? 決定螺線形線圈的 N、S 極 ? 右手握線圈,四指彎曲指向電流方向,大拇 指指向磁場方向(N 極方向)
(螺線形線圈右手定則與安培右手定則不同)

順時針電流

逆時針電流

12-4 電磁鐵 ? 電磁鐵的應用-電鈴

當通電時,附有鐵片的彈簧片 受電磁鐵吸引,而使鈴聲作響。

鈴聲敲響後,成為斷路,磁性 消失,彈簧片因彈力回復原位 置,再度形成通路。

12-4 電磁鐵 ? 電磁鐵範例
eg1. ( )如下左圖,線圈內插有軟鐵棒,當電路接通後, 則置於線圈左側之磁棒將(A)被排斥(B)被吸引(C) 不受影響(D)被吸住後再推開。



eg2. 如上右圖,當按下開關,甲乙二磁針之N 極偏轉 方向為?甲 時針偏轉;乙 時針偏轉。 eg3. 使電磁鐵的磁場增強的方法有哪些? eg4. 在一中空的線圈內分別插入木棒、鐵棒、鋼棒,何者之磁? 場最強?何者最弱?

12-5 馬達與電話 ? 馬達的意義:因電流磁效應,使物轉動。 ? 電風扇、吸塵器、吹風機、抽水機、洗衣機 ? 馬達的構思:二個磁場因同性相斥而轉動

? 線圈轉動,但只轉了半圈(180度)即停止 ? 如何解決這個問題呢?

12-5 馬達與電話 ? 馬達的轉動:電動機

? 線圈每轉半圈(180度)即要改變電流方向一次 ? 半圓形金屬環及電刷之設計(電流的流入方向不變)

12-5 馬達與電話 ? 馬達的結構? 使用直流電 ? 電能轉成力學能
1.場磁鐵:定子 (永久磁鐵) 2.電樞:轉子 (可轉動之線圈) 3.集電環 (半圓形金屬環) 4.電刷(碳刷) (不隨之轉動)

1 2 3 4

微微接觸

12-5 馬達與電話 ? 導線在磁場中的受力(電流與磁場的交互作用) ? 右手開掌定則

B

載流長直導線在磁場中的受力 ? B與I平行 ? 導線不受力 ? B與I不平行 ? 導線受力 其中以B與I成90度時受力 最大

I

四指為磁場方向, 大拇指為電流方向, 掌心所朝的方向即為 導線的受力方向

F

12-5 馬達與電話 ? 馬達的連續轉動過程

+ - + + - + - , (甲):直導線 A部分向上, B 部分向下 ? 合力矩為順時

針,向順時針轉動 (乙):線圈轉至鉛直面,因物體慣性 ? 向順時針轉動 (丙):剛轉過90度,集電環接到另一電刷,線圈各 邊電流反向流動,此後每轉半圈,電流方向 反轉一次,直導線 A部分向下, B 部分向上 ? 合力矩為順時針,向順時針轉動

? 直流電動機的圖示

螺線形線圈右手定則

12-5 馬達與電話 ? 電話的發明:1876 年 美國人 貝爾 ? 電話的原理 ? 藉話筒之碳粉調節電流大小,來影響聽筒 中電磁鐵的磁力,使金屬薄片振動。

聲音大,碳粉緊密,電阻小,電流大 聲音小,碳粉疏鬆,電阻大,電流小

12-5 馬達與電話 ? 電話的圖示: 聽筒

話筒

12-5 馬達與電話 ? 光纖通訊原理: ? 利用雷射光發送訊號,光沿光纖線路反射訊號 至遠方(光行進符合光反射定律)

12-5 馬達與電話 ?馬達與電話範例
eg1. ( )圖為電話聽筒與話筒的構造示意圖,何者正確? (A)聽筒與話筒內皆具有電磁鐵 (B)講話愈大聲,通過碳粉的電流愈小 (C)碳粉盒被壓縮得較為疏鬆時,電阻較大 (D)聽筒上的金屬薄片振動,能產生電流 eg2. 如圖(一)、圖(二)通電後,轉動情形? (A)靜止不動 (B)轉動1/4圈即停止 (C)轉動1/2圈即停止(D)不停地轉動

圖一

圖二

12-6 磁可以產生電嗎? ? 電能生磁 ? 電流的磁效應 ? 磁能生電 ? 1831年英國人法拉第發現 1.電磁感應:磁場發生變化時產生電流的現象 ? 磁場發生變化=磁力線數目有增減(?B ? 0) 2.感應電流:因電磁感應產生的電流 ? 實驗中,常以檢流計檢驗有無電流產生
檢流計 - G - ? 刻度零位在中間 ? 偏轉方向是電子流的 方向

12-6 磁可以產生電嗎? ? 電磁感應圖說一
磁鐵向右移動時,線圈內磁 場減少,有感應電流產生
?B <0 ? I ? 0 磁鐵向左移動時,線圈內磁 場增加,有感應電流產生 ?B >0 ? I ? 0

12-6 磁可以產生電嗎? ? 電磁感應圖說二
磁鐵向右移動時,線圈內磁 場減少,有感應電流產生
?B <0 ? I ? 0 磁鐵靜置於線圈旁,線圈內 磁場不變,無感應電流產生 ?B =0 ? I=0

Q 小問題 感應電流的有無如何判斷?電流方向如何判斷

12-6 磁可以產生電嗎? ? 電磁感應圖說三

Q 小問題 圖中眼所見感應電流的方向是順時針或逆時針?

? 電磁感應圖說

12-6 磁可以產生電嗎? ? 電磁感應圖說四 ※ 磁能生電的二角色:? 磁鐵 ? 迴路
電磁感應

原磁場

?B ? 0 二者相對運動
使迴路產生感應電流, 迴路於是形成電磁鐵 感應磁場

12-6 磁可以產生電嗎? ? 感應電流 1.有無 ? ?B ? 0 2.方向 ? 冷次定律:產生新磁場恆反抗原磁場 ? 『線圈右手

定則』反推電流方向 ? 法拉第定律 ? 感應電流大小與磁場變化速率成正比 ? 磁場變化速率愈快,感應電流愈大 ? 增加感應電流的方法 1.增加線圈圈數 2.使線圈內磁場變化速率加快 3.增加相對運動磁鐵的磁場

?B I? t

12-6 磁可以產生電嗎? ? 發電機歷史:第一個發電機是法拉第製造的 ? 發電機原理:電磁感應原理 ? 以動力使線圈在兩極間轉動,以產生感應電流 ? 力學能轉成電能的裝置
1.場磁鐵:定子 (永久磁鐵) 2.電樞:轉子 (可轉動之線圈) 3.集電環 (半圓形金屬環) 4.電刷(碳刷) (不隨之轉動)

? 交流發電機圖說

12-6 磁可以產生電嗎? ? 交流發電機圖說

? 直流發電機圖說

12-6 磁可以產生電嗎? ? 發電機與電動機比較

12-6 磁可以產生電嗎? ? 範例
eg1. ( )如圖,線圈左端的磁鐵靜止不動時,有關線圈的 敘述,何者正確? (A)線圈內磁場沒有變化 (B)有感應電流產生 (C)電流方向由A流向B (D)線圈左端被感應成 N極 eg2. ( )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

12-6 磁可以產生電嗎? ? 範例
eg3. ( )如圖,一根磁棒由螺線形線圈上方落下穿過螺線 形線圈至下方,前後所產生的感應電流之比較為何? (A)電流的大小相同,方向不同 (B)電流變小,方向相同 (C)電流的大小、方向均相同 (D)電流變大,方向不同

懂了嗎!

12-6 磁可以產生電嗎? ? 範例
eg4. ( )下列線圈圖中感應電流的情況,何者敘述正確? (A)(甲)(乙)感應電流方向相同 (B)(丙)(丁)感應電流方向相同 (C)(甲)(乙)(丙)(丁)皆有感應電流產生 (D)(丙)(丁)感應電流方向相反


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