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电磁铁的原理及运用

发布日期:2020-09-09 13:55

  電磁鐵的原理及運用 《臺中市賴厝國小~自然新視界》 電磁鐵的由來 ?1820年,丹麥人厄司特(Hans Christian Oersted, 1777-1851)所發現的電流磁效應,顯示了電與磁的 關聯性。此後,許多科學家便試圖尋找由磁產生電 的逆效應。1821年,英國大科學家法拉第(Michael Faraday,1791-1867)也在其筆記中,提醒自己應 探討如何「把磁變成電」。 在電流磁效應被發現後不久,大約在1825年,英國 人斯特金(William Sturgeon, 1783-1850)將通有 電流的金屬線纏繞在絕緣的鐵棒上,發明了電磁鐵。 電磁鐵通電時便有磁性,不通電就沒有磁性,方便 我們運用。 電磁鐵和一般永久磁鐵的差別 ?電磁鐵和一般永久磁鐵最大的差別,是電 磁鐵可以藉由改變通過線圈的電流大小及 線圈的匝數來控制磁性的大小,而一般磁 鐵的磁性則是固定的。 也因此,電磁鐵在實驗室及生活應用上都 相當重要,像電動機、發電機、起重機等, 都運用到電磁鐵。 電磁鐵的原理 ?當直流電通過導體時會產生磁場,若使直流電通 過由導體構成的線圈則會產生具方向性的磁場。 但是單純由直流電和線圈所構成磁場不夠集中而 導致產生的磁力不夠,因此會在線圈的中心加入 一磁性物質以達到集中磁場的效果。 ?一般而言,電磁鐵所產生的磁場強度和直流電大 小、線圈圈數及中心的導磁物質有關,在設計電 磁鐵時會注重線圈的分佈和導鐵物質的選擇,並 利用直流電的大小來控制磁場強度。然而線圈的 材料具有電阻而限制了電磁鐵所能產生的磁場大 小,但隨著超導體的發現與應用將有機會突破現 有的限制 安培右手定則 ? 如右圖所示,一載流長直導線,若電流 為由下而上,則產生環狀磁場 ? 以右手握住載流導線,姆指指向電流方 向,則餘四指纏繞方向為感應磁場方向 ? 由上往下看為逆時針方向 ? 在任一點的感應磁場方向為其切線方 向 ? 離載流導線愈遠,所生的磁場強度愈弱 ? (所謂磁場方向即為磁針N極在磁場中 的受力方向,亦為磁針N極在磁場中所 指的方向)即: 磁場方向=N極受力方向=N極所指方 向 螺旋右手定則 ? 如右圖所示為一載流螺線形導線 ? 四指纏繞的方向為電流纏繞方向,則姆指所指方 向則為感應磁場方向 電磁鐵日常生活中用途產品如下: ?(1)電鈴、電動機(馬達)、電話等,都有利用電 磁鐵產生動作。 (2)錄音帶可以把聲音錄下來,電腦的硬碟可以把 資料記錄下來,這些都是利用磁頭的電磁鐵改變 錄音帶和磁碟上磁性物質的性質而達到這些效果 的. (3)電腦硬碟的磁頭和磁碟。 (4)喇叭能發出聲音,是因為裡面的線電磁鐵通電 後,和外圈的磁鐵不斷互相吸引和排斥,就會造 成震動,然後發出聲音. 電磁鐵日常生活中用途產品如下: ? (5)光碟機的雷射讀取頭: 光碟機,CD撥放機等等使用光碟的設備,裡面會有一個雷 射讀取頭。在雷射讀取頭上的透境必須使用電磁鐵來控制 和光碟之間的距離,這樣才能讀取正確的資料. (6)變壓器 電磁鐵除了可以將電轉換成磁力,還可以將磁力的變化轉 換成電力。在同一根鐵心上,用兩組線圈做兩個電磁鐵, 其中一個輸入交流電(電流方向會不斷變化的電),另一組 電磁鐵的兩端就會有電壓輸出。輸出電壓的大小與線圈圈 數有關,圈數越多,電壓越高。利用這樣的原理可以製造 提高或降低電壓的各種變壓器。 利用電磁鐵原理還有:電風扇、吸塵器、電鈴、吹風機、抽 水機、洗衣機、果汁機、攪拌機、電冰箱、冷氣機、割草 機廢鐵工廠常用電磁鐵起重機... 等等。 揚聲器-1 ? 揚聲器應用了電磁鐵來把 電流轉化為聲音 (圖一)。 原來,電流與磁力有很密 切的關係。試試把銅線繞 在長鐵釘上,然後再接上 小電池,你會發現鐵釘可 以把萬字夾吸起。當電流 通過線圈時會產生磁場, 磁場的方向就由右手法則 來決定。 電鈴 ? 電鈴的構造圖如左,其包含 幾個主要之設計 (1)電磁鐵 (2)彈簧片(如圖之粉紅色部 份) ? 當電路為通路時 →因電生磁而感應產生磁場 →吸引鈴錘擊鈴 →成斷路狀態(電磁鐵失去 磁性) →因簧片彈力,使鈴錘彈回 →電路又成通路 →如上重複,故產生連續鈴 聲 無熔絲開關 ? 無熔絲開關可在家中的電源總 開關處看到(取代舊有的保險絲) ? 其功用在於當用電過量時,此開 關會自動切斷電源,以保安全 ? 其不同於保險絲處在於不需更 換(當開關自動切斷時,只要再 將其扳上即可,,,不過....... 想一想會如何?) ? 你能不能由圖看出,電磁鐵在那 裏呢(應該很容易看出來的) ? 你能看出無熔絲開關的自動開 關原理嗎?(機關頗為複雜哦!) 揚聲器-2 ? 揚聲器同時運用了電磁鐵和永久磁鐵 (圖二)。假設現在要播放 C 調 (頻率為 256 Hz,即每秒振動256次),唱機就會 輸出256 Hz的交流電,換句話說,在一 秒鐘內電流的方向會改變 256 次。每一 次電流改變方向時,電磁鐵上的線圈所 產生的磁場方向也會隨著改變。我們都 知道,磁力是「同極相拒,異極相吸」 的,線圈的磁極不停地改變,與永久磁 鐵一時相吸,一時相斥,產生了每秒鐘 256次的振動。線圈與一個薄膜相連,當 薄膜與線圈一起振動時,便會推動了周 圍的空氣。振動的空氣,不就是聲音嗎? 這就是揚聲器的運作原理了。 磁浮火車-1 ? 要以最快的速度從一個地方 去到數百公里,甚至數千公 里以外的地方,一般人都會 選擇乘搭飛機。可是,在不 久的將來,一種新的交通工 具將會帶領人們以高速於城 市之間穿梭。 目前為止,一般的子彈火車 能以 200 km/h 的速度前進。 由於火車與路軌之間的磨擦 力限制了火車的最高速度, 所以人們便開始研究能懸浮 於路軌之上的火車,AG集团,於是便 有磁浮火車的出現了。 磁浮火車-2 ? 顧名思義,磁浮火車是利用磁力使火車 懸浮於路軌之上。磁浮火車經常被稱為 MagLev,即 Magnetically Levitated train 的簡寫。但是,利用一般的磁鐵 並不能把火車穩定地浮起。要是你將兩 塊磁鐵的北極相對,你會發現無法使一 塊磁鐵穩定地浮在另一塊上 (圖一)。 所以,要把火車浮起並不如想像中般簡 單。 真正磁浮火車是如何浮起來的?目前, 磁浮火車還在試驗階段。德國科學家設 計了一個名為 Transrapid 的系統,利 用了「電磁力懸浮法」(EMS) 把火車浮 起 (圖二)。在這個系統中,火車的底 部包著一條導軌,在火車底部起落架的 電磁鐵向著導軌,磁力使火車懸浮在導 軌之上約一厘米,即使在靜止的時候, 火車仍然保持浮起。其他導引磁鐵則能 使火車在行使時保持穩定。 磁浮火車-3 ? 磁浮火車是怎樣被推動的?它的基本原理很簡單。以日本的磁浮火車 為例。移動的列車帶同超導磁鐵在導槽兩邊的線圈感應出電流,根據 這些訊息,系統便會把交流電輸入導槽兩邊的推進線圈,產生南北梅 花間竹的磁極 (圖五),對超導磁鐵造成拉力和推力,使列車加速。 ? 磁浮火車能懸浮在路軌上行駛,免除了火車與路軌之間的磨擦力,故 能以高速飛馳。估計未來的磁浮火車能以高達 500 km/h 的速度行駛, 比現在最快的火車速度要高一倍。此外,磁浮火車非常寧靜。德國農 民在磁浮火車路軌附近工作,幾乎察覺不到有火車經過呢!但磁浮火 車有一個缺點,就是建造導軌的費用昂貴。磁浮火車只能在這些導軌 上走,大大限制了它的發展。 起重機 ? 鋼板又重又大,怎樣搬運既方便又省力? 錄音機(Tape recorder) ? 錄音機(Tape recorder)的出現,最早可追溯至1877年 美國發明大王愛迪生發明留聲機。愛迪生將聲波變換成 金屬針的震動,並刻錄於錫箔上,利用錫箔與金屬針實 現了錄音。1896年時丹麥的年輕電機工程師波爾森 (Valdemar Poulsen)將音波轉為電流,再轉換為磁力, 並把磁力保存在鋼琴線上,實現了磁氣錄音,並於1898 年獲得專利。但是錄音機的真正流行還是在發明磁帶以 後。1935年德國科學家福勞耶瑪發明了磁帶,在醋酸鹽 帶基塗上氧化鐵,正式替代了鋼絲。1962年荷蘭飛利浦 公司發明盒式磁帶錄音機。