第一節 載電線圈在磁場中的轉動

日常生活中,我們熟識的電車、港鐵列車、大廈升降機,又或是洗衣機的轉輪和電腦內的散熱風扇等,其實都利用了電動機 (motor) 作推動。

那麼,電動機是如何運作的呢?


電動機的基本結構,會首先包含一對磁石,並加上一個接上外電源的線圈。但在討論電動機前,我們先看看載電線圈在磁場中的運動。

顯示一個載電線圈在磁場中的轉動效應,它的運作原理乃藉...

載電導線在磁場中會
  • 產生慣性
  • 感受一個磁力
  • 感受一個靜電力

當線圈通電後,載電導線於磁場內就受到一個磁力,推動線圈轉動。

電動機的運作原理其實也是藉這個原理,利用線圈在磁場中受到的磁力作推動之用。

點擊圖中的開關,演示載電線圈的運動

以下就設我們在中於電池的一方沿轉動軸望向磁石間,讓我們分析線圈在不同位置時的運動:

當線圈平面平行於磁場時:


設磁場和線圈電流方向如所示,則由弗林明左手定則知有兩作用力分別作用於線圈左、右兩端的導線上(即中的紅色箭頭),從而形成一個圍繞轉動軸的非零轉動力矩,把整個線圈轉動。

注意,由於線圈頭、尾兩端電流平行於磁場,故該兩處由載電導線而生的力均為零。

線圈平面平行於磁場

當線圈平面傾斜於磁場時:


這時仍有兩作用力分別作用於線圈左、右兩端的導線上(即中紅色箭頭),形成轉動力矩。

注意,現在於線圈頭、尾兩端上各會產生非零力,但由於它們大小相同、方向相反;而且整個線圈被固定在托架上,故這兩個力和托架所生的作用力將只產生零淨力,也不引起非零轉動力矩。其實,頭、尾兩端上作用力的效應永遠如此,故以下我們均略過不談。

線圈平面傾斜於磁場

當線圈跟磁場成 \(90\) 度角時:


於左、右兩端仍有大小相同、但方向相反的兩個力作用於線圈上(即);然而,現在由此兩力所生之轉動力矩為零。

線圈跟磁場成 \(90\) 度角

當線圈越過垂直位置後:


當線圈平面由於轉動慣性越過垂直位置後,若線圈上的電流方向維持不變,則在線圈左、右端上的力的方向維持不變(見),但由此兩力所成的轉動力矩將與線圈自身轉動的方向相反,這樣一來線圈最後只會在垂直於磁場方向處靜止下來(見的演示結果)。

換言之,這是一個錯誤的情況,真正的電動機設計決不能這樣!故此,電動機內會設有電流換向器(見下一節學習內容)。

線圈平面由於轉動慣性越過垂直位置
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