第十二章电流与磁

1、第十二章電流與磁12-1磁鐵一、磁的發現 （1）天然磁石（2）戰國時代司南（3）北宋初年指南魚（4）北宋末年磁鐵製指南針1、磁鐵：一般把可以吸引鐵器之物體稱為磁鐵 2、磁的利用： （1） 將具有磁性的螺絲起子吸取鐵質的螺絲，方便鎖緊螺絲。（2） 利用磁鐵可以指示南、北方向的特性，將磁鐵做成羅盤或指南針上的的磁針以指示方向。二、 磁鐵的性質： 1、 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南、北方向上。(2).指向北方的一端叫做磁鐵的指北極或N極；指向南方的一端叫做磁鐵的指南極或S極。 2、磁性物質：可以被磁鐵吸引的物體，大都由鐵、鈷、鎳或其合金所構成，故鐵、鈷、鎳

2、為磁性物質。3、磁場強度： （1）將磁鐵靠近迴紋針時，磁鐵兩極吸附的迴紋針最多，顯示磁鐵兩極最強，中間部分較弱。（2）磁鐵不需接觸迴紋針，即可對迴紋針產生作用。4、磁鐵間的交互作用：(1).兩磁鐵的N極（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，會發生相互吸引的作用，即異名極會互相吸引。5、磁極的存在： (1).正電荷或負電荷可以單獨存在，而磁鐵的N極與S極卻總是成對的存在。(2).不管以任何的方式將磁鐵折成兩半或數段時，每一段仍然是具有N極與S極的磁鐵。6、暫時磁鐵與永久磁鐵：(1).暫時磁鐵：像鐵釘這樣的物質，當磁鐵移除後，便無

3、法長期保有磁性，稱為軟磁鐵或暫時磁鐵。（此種磁鐵較亦被磁化）(2).永久磁鐵：有些物質如鋼釘，磁化後，可長期保有磁性，稱為硬磁鐵或永久磁鐵。（此種材料不易被磁化）12-2磁場一、磁 場： 1、由來(1).將磁鐵平放於桌面，並在磁鐵周圍放置羅盤，磁針會受到磁鐵的影響而發生偏轉。(2).磁鐵隔著一段距離就能吸引迴紋針，顯示磁鐵的磁力可擴及其周圍的空間。2、磁鐵的磁場：在磁鐵附近有磁力作用的空間，稱為磁鐵的磁場。 3、磁鐵的作用：(1).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。(2).磁性物質（如小鐵釘或迴紋針等）進入磁場中，會被磁化而具有磁性。4、磁場的方向：磁針的N極指向，即所受

4、磁場的方向。 二、磁力線：（一）鐵粉受U形磁棒影響之分佈（二）鐵粉受磁鐵棒影響之分佈1、磁化鐵粉: 如上圖（一）、（二）鐵粉在磁場中被磁化後，每一個鐵粉相當於一小磁針，故鐵粉所串連成的曲線，亦可視為磁力線。 2、磁力線：如上圖（一）、（二）這些分布在磁鐵周圍空間的曲線，稱為磁力線。3、磁力線的性質：(1).磁力線為一假想曲線，如地球儀上之經度與緯度的曲線，實際上並不存在，假想的磁力線是用來幫助我們了解磁針在磁場中的受力情形。(2).科學上規定構成磁力線各點上磁針N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。(3).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

5、N極指向S極在磁鐵內部，則從S極指向N極。(4).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，在磁鐵兩極處，磁場最強，離磁極愈遠，磁場就愈弱。(5).磁力線之間彼此不相交。4、常見之磁力線之圖形： (1).單一磁棒的磁力線形狀。(2).U形磁鐵的磁鐵力線形狀。(3).兩平行並排的磁鐵棒，同名極相對時的磁力線形狀。(4).兩平行並排的磁鐵棒，異名極相對時的磁力線形狀。(5).同一線上的兩磁鐵，異名極相向時的磁力線形狀。(6).同一線上的兩磁鐵，同名極相向時的磁力線形狀。編號(1)(2)(3)圖像編號(4)(5)(6)圖像三、地 磁： 1、現

6、象： （1）將羅盤置於磁鐵附近時，磁針受到磁鐵之磁場作用而偏轉。（2）指南針為什麼能在地球上指出南、北向呢？這是因為地球的周圍空間也存在一個磁場，稱為地磁。2、地磁：地球的周圍空間存在的磁場，使指南針指在南北向上。12-3電流磁效應一、電流的磁效應： 1、由來 （1）銅導線和電池都不是磁性物質，當以羅盤靠近它們時，磁針都不會發生偏轉。（2）將銅線兩端分別連接電池的正、負極，通以電流，然後靠近磁針，結果磁針竟然發生偏轉了。（1）丹麥人厄斯特（Hans Christian ersted，17771861）於西元1820年在課堂上教授電學時，將一條通有電流的導線，靠近一具可自由轉動的磁針時，發現磁針

7、會偏轉。 （2）承（1），使電流反向流動，磁針竟也反向偏轉。（3）承（1）、（2）可知，通有電流的導線周圍，有磁場存在，其效果與磁鐵建立的磁場相同。2、厄斯特的發現 3、電流的磁效應：任何通有電流的導線，在其周圍會產生磁場的現象。二、載流直導線的磁場： 1、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垂直。2、安培定律： (1).提出者：法國科學家安培（Andre Marie Ampere，17761836）經由研究發現。(2).內容：通有電流的長直導線周圍所建立磁場強弱，和導線上的電流大小成正比，和導線間的距離成反比。三、安培右手定

8、則： 磁場（或磁力線）的方向：可由安培右手定則（或稱右手定則）來決定。（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。12-4電磁鐵一、圓形線圈通入電流形成的磁場：1、線圈中心處的磁場方向可將線圈上某一小段導線視為直線，由安培右手定則判定之。2、通有電流的圓形線圈上每一小段電流所產生的磁場，在線圈內都指向同一方向，故線圈內的磁場較直導線電流產生的磁場強度大。3、圓形導線通入電流時，線圈外的磁場因各小段電流產生磁場的方向不一致， 因此產生的合成磁場較圈內磁場弱。4、圓形線圈的電流愈大，半徑愈小，則線圈中心處的磁場強度即愈大。5、圓形線圈和圓盤形薄磁鐵

9、的磁力線形狀相似。二、螺線形線圈電流的磁場：1、用一條長導線繞成螺線形的長線圈，相當於由很多個圓形線圈所串聯而成，每一圓形導線在中心處所建立的磁場均為同向，可以增強效應，故線圈中心處的磁場較單匝圓形線圈為強。2、線圈內部磁力線形成方向相同的直線，在線圈約兩端磁力線則漸彎曲向外。3、螺線形線圈的磁力線特性與棒形磁鐵的磁力線相似，線圈內的磁力線與線圈外方向恰相反。4、線圈內磁場的強度與線圈上的電流及單位長度內線圈的圈數成正比。三、螺線形線圈電流內磁場方向的右手定則：以右手掌握住線圈，四指指向電流方向，大拇指所指的方向即為線圈內磁力線方向。四、電磁鐵電磁鐵：利用電流的磁效應，使軟鐵具有磁性的裝置。(

10、1).將軟鐵棒插入一螺線形線圈內部，則當線圈通有電流時，線圈內部的磁場使軟鐵棒磁化成暫時磁鐵，但電流切斷時，則線圈及軟鐵棒的磁性隨著消失。(2).軟鐵棒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，故電磁鐵的磁力大於天然磁鐵。(3).螺線形線圈的電流愈大，線圈圈數愈多，電磁鐵的磁場愈強。六、電磁鐵的應用：1、起重機：為工業用的強力電磁鐵，通上大電流，可用以吊運鋼板、貨櫃、廢鐵等。 2、安培計伏特計檢流計原理安培計、伏特計、檢流計中都有電磁鐵，當電流愈大時，線圈產生的磁場愈強，與線圈旁的磁鐵排斥力愈大，故指針偏轉的角度也愈大。指針下方連接一繞在鐵心外圍的線圈，並有金屬線做成的

11、小彈簧，其彈力會阻撓繞線圈的轉動。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，指針因而偏轉，直到線圈的轉動力與彈簧的彈力乎衡時才靜止。若流經線圈的電流愈大，產生的磁場愈強，則指針的偏轉角度也愈大。若切斷電流，則指針受到彈簧的彈力作用而歸零。 3、電鈴(1).構造：(2).原理：當按上開關，電路接通，電流經過電磁鐵，彈簧片（附有鐵片），調整螺絲，構成迴路。電磁鐵由於有電流通過而具有磁性，鐵片因此被吸向電磁鐵，附於其末端的小錘也跟著擊鈴出聲。但是當鐵片移動時，其相連的彈簧片和調整螺絲的末端分離，而使電路中斷，電磁鐵失去磁性，彈簧片受到恢復力的作用而回至原位。彈簧片回至原位

12、再與螺絲接觸，電路復通，電磁鐵又具有磁性，再度吸引鐵片，鈴聲又響電路時斷時續，鈴也接連地被擊而發出聲音。 12-5馬達與電話一、馬達：電動機俗稱馬達，利用電流的磁效應，使電磁鐵在固定的磁鐵內連續轉動的裝置，可以將電能轉換成力學能。直流馬達的基本構造包括電樞、場磁鐵、集電環、電刷。(1).電樞：可以繞軸心轉動的軟鐵芯纏繞多圈線圈。(2).場磁鐵：產生磁場的強力永久磁鐵或電磁鐵。(3).集電環：線圈約兩端接至兩片半圓形的集電環，隨線圈轉動，可供改變電流方向的變向器。每轉動半圈(180度)，線圈上的電流方向就改變一次。(4).電刷：通常使用碳製成，集電環接觸固定位置的電刷，用以接至電源。二、直流發電

13、機(1).由於電磁鐵和磁場磁極的相斥力量，會使電磁鐵轉動。(2).電刷與集電環未接觸，電流突然被切斷後，因慣性的力量，線圈仍然會旋轉。(3).集電環與電刷又接觸後，電流又接通，但是此時電磁鐵因電流方向相反，又繼續原方向轉動。三、電話：是現代傳送訊息最普遍的一種工具，西元1876年美國科學家貝爾所發明，電話機內的聽筒必須有電磁鐵，方能播放聲音。1、話筒傳送聲音的原理：(1)對著話筒說話時，所發出的聲音會使金屬薄板產生振動，此時金屬薄板會壓縮盒內的碳粉。(2)盒內碳粉被壓縮時較緊密峙，電阻較小，則通過的電流較大;盒內碳粉被壓縮得較疏鬆時，電阻較大，則通過的電流較小。(3)話筒內產生的電流會隨著聲音

14、的振動幅度大小(響度)與頻率的高低(音調)而改變，而此電流的訊號會經電纜傳送至另一支電話的聽筒端。2、聽筒播放聲音的原理：(1).聽筒內有一電磁鐵，電磁鐵的磁力強弱會隨著傳送過來的電流大小而改變，靠近受話者耳朵的金屬薄片，也會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。(2).金屬薄片振動所發出來的聲音，大約反應出原來輸入話筒的聲音，因此便可以利用電話千里傳音了。四、光學纖維纜線折射程度不同的玻璃可拉成光學纖維，多條光學纖維使用鋼索或尼龍加以固定外面再被覆保護層製成光學纖維纜線，雷射光沿著光學纖維可以將訊號傳得又快又遠，現在已逐漸取代銅電纜，成為訊號的傳輸媒介。下圖為光學纖維纜線

15、的一種形式。光學纖維纜線具有下列特點：(1).資料傳輸率高，傳輸距離遠，未來光纖的傳輸率可高達l00Gbps，傳輸距離可達100公里。(2).重量輕，不腐蝕，不怕電波干擾，使用時間長，缺點是成本高且維修費用大。 12-6磁生電一、電磁感應的現象：西元1831元法拉第發現：原先沒有電流的線圈，會因線圈內的磁場發生變化而產生電流稱為電磁感應，此發現使得電與磁的理論關係更加完整。 二、電磁感應實驗證明：一磁鐵棒接近一個連有檢流計的線圈。(1).當磁鐵棒位置固定不變時，檢流計指示的電流為零。(2).但是當磁鐵棒接近線圈時，檢流計指針就起了偏轉，表示線圈中產生了電流。(3).當磁鐵棒移離線圈時，檢流計指

16、針就起了偏轉，但是電流卻朝相反的方向。三、檢流計：(1).可以測定微弱電流(10-8安培)的一種電流計。(2).檢流計的指針在中央時，其讀數為零。(3).電流由右端(十端)流入時，指針向右偏轉;電流由左端(一端)流入時，指針向左偏轉。(4).檢流計的目的在檢查電流的有無，而不在於測量電流的大小。四、電磁感應：線圈內的磁場改變時，使線圈產生感應電流的現象。(1).磁鐵與線圈互相接近或遠離時，線圈會產生感應電流。(2).線圈在磁鐵的兩磁極間轉動，由於線圈於磁力線的夾角不同，通過線圈的磁場也會改變，因此也會產生感應電流。(3).當電磁鐵上線圈的電流改變的瞬間，周圍的其他線圈也會產生感應電流。 五、感

17、應電流的大小和線圈內磁場的變化速率成正比。(1).磁鐵與線圈間沒有相對運動時，感應電流為零。(2).磁鐵接近或離開線圈時，磁鐵移動的速率愈大，線圈產生的電流即愈大。(3).磁鐵的磁性愈強，線圈的圈數愈多，每個線圈都會產生感應電壓，因此產生的感應電流也愈大。線圈內的磁場發生變化時，線圈會感應而產生電流，感應電流的方向恆使感應電流產生的新磁場抗拒原來磁場的變化。六、發電機的原理發電機的原理是利用外力，使線圈在馬蹄形磁鐵的二極間轉動，則因通過線圈的磁場變化而產生感應電流。利用電磁感應原理，將力學能轉變為電能的機械，可分為交流發電機和直流發電機兩類，基本構造如下:(1).場磁鐵：產生磁場的固定磁鐵。(2).電樞：能自由轉動的多匝線圈。(3).集電環：線圈的兩端接至集電環，由金屬製成。(4).電刷：通常使用碳製成，連接導線將電流輸出。1、交流電(1).線圈的兩端分別連在兩個圓環形的集電環上，各環上接觸有固