0260104電磁作用

03電磁鐵的應用

 

3-1生活中的電磁鐵

查一查資料,生活中哪些器具裡面有電磁鐵?

生活中有許多通電後會轉動的器具,裡面都有電磁鐵裝置。例如電風扇、洗衣機、吹風機、乾衣機、果汁機、冰箱等。有些物品在供應電力後不會轉動,但也具有電磁鐵的構造,如電鈴、電話、耳機、音響的喇叭等。

 

強力電磁鐵

  在一塊鐵芯上纏繞可以導電的線圈,就可以形成一塊電磁鐵;電磁鐵是一種暫時性的磁鐵,只有通電時才會產生磁性。它的磁力大小會因為通過的電流大小而改變,因此電磁鐵的磁力有大、小之分,可以依不同的需求,應用在不同的地方。

  廢鐵工廠常利用強力電磁鐵起重機來搬運很重的物品,當電磁鐵起重機通電後,就變成吸力很強的磁鐵,可以吸起巨大的廢鐵。當移動到目的地後再切斷電源,電磁鐵的磁性就會消失,廢鐵即可落下,這樣就完成廢鐵的搬運。

 

磁浮列車

  磁浮列車是一種利用電磁鐵相吸、相斥的作用,來推動車身前進的交通工具。因為列車飄浮在軌道上行駛,不須要依靠車輪前進,所以只有空氣阻力的作用,而沒有車身與軌道間的摩擦力,如此大幅降低前進時的阻力,使列車的速度可以高達每小時三、四百公里,達到高速行駛的目的。

  電磁鐵的磁浮技術研究起源於德國,西元1970年之後,隨著世界工業與經濟發展不斷增強,許多國家也開始著手進行利用磁浮原理來改善運輸系統的研究,例如德國日本中國等。

  磁浮列車上的電磁鐵磁極,與軌道上、下相對。電磁鐵沒有通電時,車身會靜止在軌道上,軌道上則裝有感應器,用來調整電磁鐵的磁力以保持車身平穩。藉由磁力的吸引和排斥作用,就可以控制列車向前加速或減速。

  由於磁浮列車主要藉由電磁鐵控制,因此具有高速平穩、低汙染且幾乎不會產生噪音的優點,為交通發展帶來了革命性的突破。

 

3-2製作簡易小馬達

  人們利用電能生磁的原理製作電磁鐵,再利用電磁鐵製造了馬達,應用在許多電器產品上。讓我們來試一試,利用通電的線圈製作一個簡易小馬達。

 

簡易小馬達

1.用黏著劑把兩支別針固定在紙杯底部兩端當作支架。

2.將漆包線在麥克筆上以同方向纏繞20圈,並在兩端各預留約7公分。

 別針有圓圈的一端朝上。在別針和紙杯之間塗上黏著劑後,須靜置數分鐘等它凝固。

3.將繞好的線圈取下,用線圈兩端預留的漆包線分別繞3圈,以固定線圈。

4.調整線圈,伸出的漆包線必須對準中央。

5.用砂紙將漆包線一端的漆全部磨除,另一端只磨除上半部的漆。

6.在紙杯底部兩支支架中間,用透明膠帶固定兩個圓形磁鐵。

7.把線圈兩端分別伸入支架裡,再將兩個支架分別連接電池正、負極,按下開關並輕推線圈,線圈就會開始轉動。

 

  通電的線圈會產生磁性,在這線圈下方放置磁鐵,會與通電線圈所產生的磁性相斥或相吸,因而推動線圈轉動。

 

旋轉吧! 單極馬達

  西元1821年,英國物理學家法拉第設計了第一臺單極馬達。單極馬達和一般的馬達原理相同,只是一般的馬達必須不斷改變線圈中電流的方向,線圈才能連續轉動,而單極馬達不須改變電流方向就可以連續轉動。讓我們來試試看吧!

1.用指北針測出強力磁鐵的磁極,標示在磁鐵上。

2.如下圖,將大迴紋針折出傾斜向下的支架。

3.電池盒裝上電池後,用絕緣膠帶將迴紋針底部固定在電池盒下方,再將電池盒其中一條電線纏繞在迴紋針支架尖端。

4.將強力磁鐵吸附在兩腳釘平頭那一端,再用兩腳釘穿過圓形西卡紙中心。

5.用絕緣膠帶把電池盒固定在紙杯底部,再將兩腳釘尖端吸附在迴紋針支架尖端。

6.以電池盒上另一條電線碰觸強力磁鐵,兩腳釘便會開始轉動。

  上面的實驗中,當以電線碰觸強力磁鐵形成通路時,電流流經銅線,銅線周圍便會形成磁場,而強力磁鐵本身的磁場與銅線的磁場產生吸引或排斥現象,因此兩腳釘會不停的旋轉。而如果將強力磁鐵N極、S極顛倒,兩腳釘旋轉方向也會相反。

 

電與磁的發明家──奧斯特法拉第

  西元1819年冬天,丹麥物理學家奧斯特正在教授學生認識電力與磁力,突然發現磁針似乎受到雷雨的影響而偏轉。於是他跑到實驗室裡,利用導線做成一個封閉的電路,並把磁針擺在旁邊,通電後,磁針明顯擺動。這個實驗證實了電與磁之間果然有某種關聯。奧斯特經過反覆的思考和實驗,幾個月後發表了電流會讓磁針偏轉的理論,這個實驗也成了日後電磁鐵的雛形。

  奧斯特的發現很快傳遍了物理學界,於是更多科學家開始研究電與磁之間的效應。西元1821年,法拉第(Michael Faraday,西元1791~1867年)設計了第一臺馬達,但法拉第不以此為滿足,1831年,他進一步利用馬達的原理,製成了簡單的發電機。法拉第製作的第一架發電機是一個銅盤,掛在一個大型的馬蹄形磁鐵中,銅盤上有可以轉動的把手;當銅盤在磁場中快速轉動,就可以產生源源不絕的電流。這個發電的原理至今仍被應用在美國 尼加拉瀑布等發電廠中。

 

生活中有哪些物品是應用電生磁原理設計的?

例如電鈴、電風扇、電動玩具車、強力電磁鐵起重機等。

 

生物遷徙與地磁

  鴿子為什麼能在飛行數百公里後安然返家?燕子每年在臺灣菲律賓之間來回,為什麼不會迷路?海龜和鯨在茫茫大海中,如何找到方向?科學家研究發現,很多生物即使在缺乏地形、洋流、風向,甚至太陽、月亮和星星的指引下,仍能找到方向,難道牠們的身體裡面都藏了指北針嗎?

  科學家曾經做過實驗,把候鳥關在密閉的鳥籠,使牠們完全無法得知外界的訊息以及方向,但候鳥只要到了遷徙的季節,就會嘗試往本來要遷徙的方向飛,顯示牠們有一種天生的方向感;但當科學家用電磁線圈環繞鳥籠,利用通電線圈來產生方向不同的磁場,候鳥竟飛往錯誤的方向,可見牠們的方向感和地球磁場有關。

  最近科學家還發現一個更驚人的現象,他們仔細比對全球三百多個牧場的衛星空照圖,發現大部分的牛隻頭尾排列都是南北走向,就像每隻牛都是指北針一般;更特別的是,在高壓電纜附近的牛隻,可能因為高壓電纜的磁場大過地球磁場,排列顯得比較混亂。

  但是生物的指北針在哪裡?如何指引方向?目前只有「磁菌」有比較明確的研究證據。在1980年代,美國科學家研究發現磁菌,科學家們指出,磁菌體內有一串由微小磁性物質所組成的鏈子,可以感應地球的磁力線來辨認位置。而除了磁菌,科學家在鳥類、蝴蝶、蜜蜂、螞蟻、海龜、鯨,甚至人體內都發現過磁性物質;而且在魚、鳥和哺乳類等高等動物體內,這些磁性物質通常位於嗅覺系統或眼睛等部位。

  大多數科學家認為這些磁性物質不只能幫助生物辨認南、北,還能定位,藉由感受各地磁場的差異,在腦中形成磁感地圖。但是有些科學家認為磁感地圖的證據太薄弱,目前仍爭論不休。生物磁感應到底如何作用?尚有待科學家提出更多的實驗證據來釐清。

 

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