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磁鐵磁極檢測—磁鐵指南針、電磁鞦韆與直流馬達

文/國中自然領域退休教師、拜耳公司科學志工科教顧問、大愛電視生活裡的科學節目科學顧問、《認識科展第一本書》作者梅期光

(一)磁鐵磁極檢驗-磁鐵指南針

所需材料與工具:

  • 透明膠帶台:可黏貼相關物件
  • 油性簽字筆:可書寫劃記
  • 錐子:在塑膠免洗杯鑽孔
  • 指南針:亦稱磁針,檢測地磁或磁鐵磁極強度、方向與載流導線產生磁場強度、方向磁場磁極強度可由磁針受磁場磁極作用產生偏轉快慢情形判斷,磁場磁極方向可由磁針N極指向決定,地磁N極由磁針S極指向決定,而磁鐵S極由磁針N極指向決定。)
  • 尖嘴鉗:彎折大型迴紋針導電基座及細漆包銅線鞦韆
  • 美工刀:刮除漆包線絕緣膠膜(亦可用細砂紙替代)
  • 砂紙:磨除漆包銅線表面膠膜
  • 量角器:度量角度
  • 雙面膠帶:可黏貼相關物件
  • 10公分×10公分塑膠基座板、氧化鐵磁鐵、細綿線、牙籤,如圖 1 所示
未命名

圖 1

製作步驟:

  1. 用油性簽字筆在 10 公分 × 10 公分塑膠基座板四邊位置註記東、南、西、北方位。
  2. 觀察操作位置太陽確定升起(東方)或落下(西方)的方位,再調整已註記東南西北方位的塑膠基座板對應太陽升起(東方)與落下(西方)的方位,如圖 6 所示。
    未命名

    圖 6

  3. 將細綿線用透明膠帶黏著在長方形氧化鐵磁鐵短邊窄面端中間位置,再用透明膠帶將牙籤固定在短邊窄面另一面的中間位置,如圖 7 所示。(注意事項:細綿線與牙籤固定位置盡量在磁鐵短邊窄面端的中間位置,以確定懸吊磁鐵時磁鐵能維持平衡狀態!)
    未命名

    圖 7

  4. 手持細綿線另一端將氧化鐵磁鐵懸掛在方位基座板中央位置,如圖8所示。(注意事項:將靠近磁鐵周圍的鐵質器具或其它磁鐵移開,以免因磁化或磁極作用影響磁鐵因地磁影響的固定指向現象。)
    未命名

    圖 8

現象觀察與推理思考:

  1. 牙籤指向北方一端為磁鐵 N 極,而指向南方的另一端則為 S 極,用油性簽字筆在指向 N 極牙籤位置畫記,如圖 9 所示。
    未命名

    圖 9

  2. 仔細比較牙籤指向(磁鐵 N、S 極指向)與實際地理方位並未重疊,亦即地磁 N、S 極與地理北、南極並非相同位置,如圖 10 所示。
    未命名

    圖 10

  3. 如圖 11 所示,用量角器量出在你實驗位置的地磁方向與地理方向的夾角為何?注意事項:為討論磁鐵性質規定,若以磁鐵指向地球北方的磁極稱為N極,磁鐵指向地球南方的磁極稱為S極,但根據磁鐵同極相斥、異極相吸的性質可知實際上靠近地球北極處的地磁磁極應為S極,而靠近地球南極處的地磁磁極應為N極。
    未命名

    圖 11

(二)奧斯特電流磁效應實驗

所需材料與工具:

  • 透明膠帶台:可黏貼相關物件
  • 油性簽字筆:可書寫劃記
  • 錐子:在塑膠免洗杯鑽孔
  • 指南針:亦稱磁針,檢測地磁或磁鐵磁極強度、方向與載流導線產生磁場強度、方向磁場磁極強度可由磁針受磁場磁極作用產生偏轉快慢情形判斷,磁場磁極方向可由磁針N極指向決定,地磁N極由磁針S極指向決定,而磁鐵S極由磁針N極指向決定。)
  • 尖嘴鉗:彎折大型迴紋針導電基座及細漆包銅線鞦韆
  • 美工刀:刮除漆包線絕緣膠膜(亦可用細砂紙替代)
  • 砂紙:磨除漆包銅線表面膠膜
  • 量角器:度量角度
  • 雙面膠帶:可黏貼相關物件
  • 50 c.c. 透明塑膠免洗杯、漆包銅線、3 號電池,如圖 2 所示
未命名

圖 2

製作步驟:

  1. 用錐子分別在兩透明塑膠免洗杯杯口 0.5 cm 及 1 cm 兩直徑位置兩端鑽孔,如圖 12 所示。
    未命名

    圖 12

  2. 將兩相同長度漆包銅線分別穿過兩透明塑膠免洗杯小孔後用透明膠帶固定,如圖 13 所示。
    未命名

    圖 13

  3. 用細砂紙將漆包銅線兩端引線絕緣膠膜磨除。
  4. 將磁針放置兩透明塑膠免洗內,磁針放置為在漆包銅線上及在漆包銅線下,調整磁針的固定指向與漆包銅線呈平行狀,如圖 14 所示。
    未命名

    圖 14

現象觀察與推理思考:

  1. 磁針放置漆包銅線「上」方,將漆包銅線兩引線分別標示「a、b」:「a」引線接電池正、「b」引線接電池負極,觀察磁針的偏轉情形(敘述磁針 N 的偏轉方向),如圖 15 所示。
    未命名

    圖 15

  2. 「b」引線接電池正、「a」引線接電池負極,觀察磁針的偏轉情形(敘述磁針 N 的偏轉方向),如圖 16 所示。
    未命名

    圖 16

  3. 磁針放置漆包銅線「下」方,將漆包銅線兩引線分別標示「c、d」:「c」引線接電池正、「d」引線接電池負極,觀察磁針的偏轉情形(敘述磁針 N 的偏轉方向),如圖 17 所示。
    未命名

    圖 17

  4. 「d」引線接電池正、「c」引線接電池負極,觀察磁針的偏轉情形(敘述磁針 N 的偏轉方向),如圖 18 所示。
    未命名

    圖 18

  5. 分析兩磁針的 N 極偏轉方向:磁針 N 極的偏轉應該受到磁場的作用,而磁場的產生與漆包銅線通入的電流有無、電流大小與電流流向有關。
  6. 分析磁針 N 極的偏轉方向、電流的流向:你能歸納出以右手拇指表示電流、四指表示磁場,載流導線周圍可產生順四指指尖旋轉方向的磁場的安培右手定則的關係嗎?

(三)電磁鞦韆-外加磁場載流導線的受力現象

所需材料與工具:

  • 透明膠帶台:可黏貼相關物件
  • 油性簽字筆:可書寫劃記
  • 錐子:在塑膠免洗杯鑽孔
  • 指南針:亦稱磁針,檢測地磁或磁鐵磁極強度、方向與載流導線產生磁場強度、方向磁場磁極強度可由磁針受磁場磁極作用產生偏轉快慢情形判斷,磁場磁極方向可由磁針N極指向決定,地磁N極由磁針S極指向決定,而磁鐵S極由磁針N極指向決定。)
  • 尖嘴鉗:彎折大型迴紋針導電基座及細漆包銅線鞦韆
  • 美工刀:刮除漆包線絕緣膠膜(亦可用細砂紙替代)
  • 砂紙:磨除漆包銅線表面膠膜
  • 量角器:度量角度
  • 雙面膠帶:可黏貼相關物件
  • 500 c.c. 透明塑膠免洗杯、氧化鐵磁鐵、3 號電池、漆包銅線,如圖 3 所示
未命名

圖 3

製作步驟:

  1. 用雙面膠帶將長方形磁鐵 N 極面朝上黏著固定在透明塑膠免洗杯底部,如圖 19 所示。
    未命名

    圖 19

  2. 將細漆包銅線彎折成 U 形後,放置在杯內磁鐵上方約 0.5 公分距離,再將漆包銅線兩端彎折至塑膠免洗杯杯側位置用透明膠帶固定,如圖 20 所示。
    未命名

    圖 20

  3. 用砂紙將漆包線兩端絕緣膠膜磨除,再將兩引線標示「e、f」,如圖 21 所示。
    未命名

    圖 21

現象觀察與推理思考:

  1. 如圖 22 所示,「e」引線接電池正、「f」引線負極,觀察磁鐵上方漆包銅線的擺動情形為何?
    未命名

    圖 22

  2. 如圖 23 所示,「f」引線接電池正、「e」引線負極,觀察磁鐵上方漆包銅線的擺動情形為何?
    未命名

    圖 23

  3. 分析漆包銅線電流流向、磁鐵面磁極與漆包銅線的擺動方向,你能歸納出判斷漆包銅線電流流向、磁鐵面磁極與漆包銅線的擺動方向關係的安培右手開掌定則的關係嗎?
  4. 比較漆包銅線兩端導線分別連接 1 個 3 號電池或 2 個串聯 3 號電池後,你觀察到漆包銅線的擺動情形有何變化?
  5. 承上,若是改變漆包銅線兩端導線與電池連接位置後,你觀察到漆包銅線的擺動情形有何變化?

(四)直流馬達-外加磁場載流圓形線圈的受力現象

所需材料與工具:

  • 透明膠帶台:可黏貼相關物件
  • 油性簽字筆:可書寫劃記
  • 錐子:在塑膠免洗杯鑽孔
  • 指南針:亦稱磁針,檢測地磁或磁鐵磁極強度、方向與載流導線產生磁場強度、方向磁場磁極強度可由磁針受磁場磁極作用產生偏轉快慢情形判斷,磁場磁極方向可由磁針N極指向決定,地磁N極由磁針S極指向決定,而磁鐵S極由磁針N極指向決定。)
  • 尖嘴鉗:彎折大型迴紋針導電基座及細漆包銅線鞦韆
  • 美工刀:刮除漆包線絕緣膠膜(亦可用細砂紙替代)
  • 砂紙:磨除漆包銅線表面膠膜
  • 量角器:度量角度
  • 雙面膠帶:可黏貼相關物件
  • 10 公分 × 10 公分塑膠基座板、氧化鐵磁鐵、大型迴紋針、3.0 V 的 3 號電池盒、3 號電池、漆包銅線,如圖 4 所示

製作步驟:

  1. 用雙面膠帶將磁鐵固定在塑膠基座板的前側位置。
  2. 用尖嘴鉗將大型迴紋針彎折成如圖示之迴紋針導電基座,如圖 24 所示。
    未命名

    圖 24

  3. 用透明膠帶將兩支迴紋針導電基座黏著固定在磁鐵邊位置,如圖 25 所示。
    未命名

    圖 25

  4. 將漆包銅線以適當大小圓柱纏繞成圓形線圈,再以銅線纏繞方式固定圓形線圈,如圖 26 所示。
    未命名

    圖 26

  5. 將圓形線圈兩引線放置迴紋針導電基座上,將引線接觸導電基座兩側各 1 公分位置註記,如圖 27 所示。
    未命名

    圖 27

  6. 用美工刀將註記漆包銅線一端刮除部分絕緣膠膜,而另一端用細砂紙將註記漆包銅線絕緣膠膜刮除完全刮除,如圖 28 所示。
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    圖 28

  7. 調整圓形線圈與基座板上磁鐵的距離約 0.5 公分,將 3 號電池置入電池盒後,兩端導線分別固定在迴紋針導電基座上,如圖 29 所示。
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    圖 29

現象觀察與推理思考:

  1. 開啟電池盒電源後,觀察放置在迴紋針基座圓形線圈的轉動情形,如圖 30 所示。
    未命名

    圖 30

  2. 圓形線圈兩引線的絕緣膠膜為何一端要完全刮除,而另一端刮除只要部分刮除,如此操作的目的為何?
  3. 接通電源瞬間,當觀察到圓形線圈產生轉動現象時,你能說明此時圓形線圈產生磁極與基座板磁極的性質關係嗎?
  4. 承 3. 改變電池接線位置,還能觀察到圓形線圈產生轉動嗎?你能說明流經圓形線圈的電流所產生磁場與基座板磁極的性質關係嗎?

學習磁鐵磁極檢測與電磁鞦韆有關科學原理

  1. 地球磁場與磁極:目前以地球轉動地球內部熔融物質或地球內部的劇烈對流效應所產生可使磁針指向固定,地磁南北極(磁軸)與地理南北極(地軸)並不重疊,且地磁北極與地理北極相距約1800公里。
  2. 磁鐵磁極的超距作用:指磁極同極(N、N,S、S)相排斥、異極(N、S)相吸引的磁力超距作用。
  3. 奧斯特實驗:丹麥科學家奧斯特發現通電流導線周圍的磁針會產生偏轉現象,此實驗證明電流可以產生磁場,開啟了電與磁研究的全新認識。
  4. 電流磁效應:指電流產生磁場的現象,利用電流磁效應可製作電磁鐵裝置。
  5. 安培右手定則:可判斷通電流長直導線或圓形線圈(或螺線管)產生磁場N磁極方向的辨識方式。(1) 長直導線:拇指是電流方向、順四指旋轉方向是磁場方向、四指指尖是磁極N極。(2) 圓形線圈(或螺線管):順四指旋轉方向是電流方向、拇指方向磁場、拇指指尖是磁極N極。
  6. 載流導線在磁場中的受力現象:根據電流磁效應載流導線周圍可產生磁場,當載流導線周圍有外加磁場時,載流導線周圍產生磁場會與外加磁場產生同極相斥或異極相吸的磁力作用。
  7. 安培右手開掌定則:可判斷通電流長直導線在外加磁場中受力方向的辨識方式,即拇指是電流方向、平伸四指指向是磁場方向、掌心方向是受力方向。

 

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物理好好玩 X 物理雙月刊

物理好好玩內的文章來自於中華民國物理學會旗下科普雜誌「物理雙月刊」,透過國內物理實作專家為讀者帶來許多有趣及簡易的物理教具、玩具製作;利用隨手可得之器具及材料,來展示許多物理現象,是本專欄最大的特色。快點跟我們一起玩物理吧!