第一節 電磁感應實驗

電學與磁學有不少類似的特性,兩者之間亦有緊密的連繫。我們知道載電流的導線會產生磁場,那麼,推想一個逆向效應的話,可以從磁場產生電流嗎?法拉第 (M. Faraday) 曾長時間進行實驗,試圖研究並造出這推想的逆效應。在類似的實驗裝置上,終於發現了電磁感應 (electromagnetic induction) 現象。

,當開關 S 接通,線圈 A 便產生磁場。連接了一個電流計的線圈 B,由於它跟線圈 A 也繞在同一鐵芯上,線圈 B 上會有相同大小的磁場。然而,不論線圈 A 的磁場多大,電流計皆未能讀出穩定的電流。但有趣的是,原來在開關 S 接通或斷開的瞬間,即當磁場產生或消失時,電流計是會出現短暫的偏轉!

電磁感應的基本原理在於 變化的磁場 能誘導一個電動勢,於是導線上便猶如接駁了一節電池似的,從而在一閉路上的導線會有電流通過。為進一步說明電磁感應現象,以下將分別討論兩個實驗:

法拉第的實驗(示意圖)
實驗 1:


這實驗先預備一組永久磁鐵造出一個固定的磁場,另把導線連接到電流計上。考慮如(a) 所示設置般,把導線垂直上下穿越磁鐵間空隙(圖中黃色箭咀,下稱情況 A),電流計會有甚麼反應嗎?

模擬了實驗的情況。當導線每一次上下穿過磁鐵間空隙時,電流計的指針均移動一下,然後回到原處,這證明了線路中有電流通過;而且對應於導線上、下的運動,指針的移動呈相反方向。這現象中電流的出現雖僅為一瞬間,由於本次實驗沒接駁電源,電流的產生顯然是跟導線在磁場中的運動有關!


【水平移動導線】
如果改為如(a) 藍色箭咀所示般,讓導線於水平前後移動(情況 B);又或者如綠色箭咀般,將導線水平地左右移動(情況 C);以上兩情況中,電流計的反應會跟情況 A 有甚麼不同嗎?

若如情況 B 和 C 般移動導線,會發現以下這些情況的電流計沒有任何移動:

情況 B         情況 C

這現象證明沒有電流在情況 B 和 C 的電路中產生。


【小結】
實驗結果顯示,只有當運動中的導線切過磁場,電流計才會出現移動。本實驗的磁場是固定的,原來當導線切過磁場時,也會造成感生電流。在的設置,導線垂直上下移動時,導線的運動會切過磁場;導線水平移動時,運動乃平行於磁場。所以只有在情況 A 才有電流產生。

事實上,當本設置裡的運動導線切過磁場時,在電路上便產生電動勢,稱為感生電動勢 (induced e.m.f.)。若電路為閉合電路(如本次實驗的情況),則由感生電動勢產生電流。這一類由通過切割磁場線、或導線處的磁場變化而誘發的電流稱為感生電流 (induced current)。


當導線以不同方向在磁鐵間越過時,電流計的指針有甚麼反應?(a) 示意圖;(b) 實驗照片。(按 ">" 往下一頁)
請啟動動畫,演示實驗情況。每按一次播放,導線便越過磁鐵間空隙一次。您也可在參考本示範的說明。
i 導線在磁場下方時,沒產生電流;ii 導線正在磁場間上升時,有電流產生;iii 導線在磁場上方時,沒產生電流;iv 導線正在磁場間下降時,有電流產生,而且方向跟上升時的相反。(按 ">" 往下一頁)
實驗 2:


這實驗使用一組線圈連接到光束檢流計,設置如中所示。考慮(a) 般把磁鐵插入和拉出線圈,令兩者間有相對運動,期間檢流計有甚麼反應嗎?

模擬了實驗的情況。當磁鐵插入和拉出線圈時,檢流計的光標均移動一下,證明線路中有感生電流通過;而且對應於磁鐵的插入和拉出,光標的移動呈相反方向,證明於線路中感生電流對應於磁鐵的不同運動有不同方向。


【影響感生電動勢的因素】
若把磁鐵插入和拉出的速度加快,檢流計的反應與先前的會有不同嗎?

較快速地插入和拉出磁鐵的話,檢流計的光標移動幅度是會相應增大的,表示電路中的感生電流增大。即是說,當磁鐵運動的速度增加,感生電動勢便增大,反之則減小。事實上,線圈中的感生電動勢可透過以下數種方法來增強:

  1. 使用較強的磁鐵;
  2. 增加線圈的匝數;
  3. 以較高的率改變磁場。

【小結】
本實驗顯示,感生電動勢的強度取決於線圈所感受的外磁場變化率:磁場變化率愈大,則感生電動勢亦愈強。例如在裏增加磁鐵磁場的強度、加快磁鐵進出的速度,均是提升線圈所感受的外磁場變化率的方法。以上敘述可由 法拉第電磁感應定律 (Faraday's law of electromagnetic induction) 總結:

在導體中產生的感生電動勢,跟通過這導體內的外磁場變化率,或切割磁場線的快慢成正比。


當磁鐵插入和拉出線圈時,光束檢流計有甚麼反應?(a) 示意圖;(b) 實驗照片。(按 ">" 往下一頁)
請啟動動畫,演示實驗情況。每按一次播放,磁鐵便演示一次進入/拉出線圈。您也可在參考本示範的說明。
i 磁鐵在線圈外遠處時,沒產生電流;ii 磁鐵正在進入線圈內部時,檢流計的光標左移,表示有電流產生;iii 磁鐵已進入線圈內部後,檢流計的光標歸中,即沒電流產生;iv 磁鐵正從線圈內部被拉出時,檢流計的光標右移,可知有電流產生,而且方向跟進入線圈時的相反。(按 ">" 往下一頁)
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