1、第五章 電與磁的統一5-1電流的磁效應5-2電磁感應,高中基礎物理(一),5-1電流的磁效應,載流直導線周圍的磁場符號與電流流向示範實驗載流導線的磁效應載流圓形線圈所產生的磁場載流螺線管所產生的磁場,電磁鐵電磁鐵的應用載流導線在磁場中的力兩平行載流導線間的磁力範例題,載流直導線周圍的磁場(1/2),西元 1820 年丹麥物理學家厄斯特發現，載有電流的直導線，可使周圍的磁針偏轉。載流導線的周圍產生磁場，稱為電流磁效應。當長直導線通過電流時，可在其周圍空間建立一個環形的磁場，磁場之磁力線形成以導線為中心的同心圓。,載流直導線周圍的磁場(2/2),長直導線在空間中所生磁場大小與導線的距離成反比，與電
2、流的大小成正比。右手定則：以右手握住導線，將右手拇指順著電流方向，則四指自然彎曲的方向即為磁力線方向。,右手定則：電流方向沿著拇指時，所產生的磁場之磁力線沿四指方向環繞。,載流直導線產生的磁場使周圍的鐵粉排成同心圓。,符號與電流流向,垂直紙面方向的電流，習慣上以交叉符號 表示電流垂直紙面流入，而以圓點符號 表示電流垂直紙面流出。,通有電流的長直導線周圍產生的磁場方向,示範實驗載流導線的磁效應(1/3),步驟：在一塊硬紙板中央鑽一個小孔，將一條導線垂直穿過這個小孔。把鐵粉均勻地灑在水平的硬紙板上。接通開關使電流通過垂直的導線，並輕輕敲擊硬紙板，觀察鐵粉顯示出的形狀。,示範實驗載流導線的磁效應(2
3、/3),將鐵粉收起。將磁針放在硬紙板上 A、B、C、D 四點處，觀察磁針的偏轉方向。將導線的正、負極改變，重複步驟4.，觀察磁針的偏轉方向是否改變？以導線處為圓心，分別以 3 cm、5 cm 為半徑，將磁針置於圓周上，檢驗磁針方向是否在圓周的切線方向。,示範實驗載流導線的磁效應(3/3),結論：1. 在載流直導線周圍的鐵粉，呈現一圈圈的同心圓表示磁力線，且愈接近導線愈密集。2. 載流直導線建立的磁場其方向可用右手定則來表示。,載流圓形線圈所產生的磁場,電流通過圓形線圈時，產生的磁場磁力線環繞著導線。另一形式的右手定則，此時四指環繞方向為電流方向，則拇指伸直的方向為磁場方向。電流愈大，則所產生的
4、磁場愈強。載流圓形線圈在線圈外的磁場方向與線圈內相反。,載流螺線管所產生的磁場(1/2),載流螺線管導線的內部，產生均勻磁場。磁場方向可用右手定則決定，將右手的四指順著電流方向彎曲，則拇指伸直的方向就是螺線圈內部磁場的方向。,螺線管通電時產生的磁場,載流螺線管所產生的磁場(2/2),螺線管單位長度內的線圈匝數愈多，流經線圈的電流愈大，則在管內產生的磁場就愈強。註：單位長度的線圈匝樹稱為匝數密度。管外的磁場很弱，貼近管壁外側處的磁場可視為零。,若四指環繞方向為電流方向，則螺線管內磁場的方向在拇指伸直的方向。,電磁鐵,於載流螺線管內部放入軟鐵棒，在相同的電流作用下，產生的磁場會變大而形成一個磁鐵棒
5、，這種裝置稱為電磁鐵。 螺線管線圈內放入一軟鐵棒，會增加磁力線，增強磁場。,電磁鐵的應用,常見的是電鈴，按下電鈴按鈕形成通路後，所產生的電流可使電磁鐵吸引 A 處的軟鐵片，帶動小錘敲擊金屬鈴。港口貨櫃裝卸場的起重機，是利用強大電流的電磁鐵來吊起沉重的貨櫃。,載流導線在磁場中的力,載流導線在場磁鐵中，受到垂直電流方向的磁場交互作用，產生磁力。所受磁力方向遵守右手開掌定則。若磁場方向與電流方向平行，則無磁力的作用。,兩平行載流導線間的磁力(1/2),兩平行放置的長直導線，分別通有電流，則每一導線均有自身電流所建立的磁場，和他導線所建立的磁場產生交互作用而產生磁力。,兩平行載流導線間的磁力(2/2)
6、,兩平行載流導線，同向電流之間磁力相吸，反向電流之間磁力相斥。,範例 電流磁效應,圖為兩條固定在 xy 平面上的長直導線，均通過原點，且與 x 軸的夾角均為 45 兩導線上的直流電流，大小相同，方向如箭號所示。假設位於 y 軸上的甲點到兩導線的垂直距離遠小於兩導線的長度，則下列關於該點上磁場方向與量值的敘述，何者正確？(A)磁場量值為零 (B)磁場方向向y(C)磁場方向向y(D)磁場方向垂直穿入紙面(E)磁場方向垂直穿出紙面,答 (E)解 兩導線對甲點的磁場皆為穿出紙面。,範例 1 類題,兩條通有相等電流的直導線垂直於紙面，右邊電流為流入紙面，左邊電流為流出紙面，則圖中甲處磁場的方向為何？(A
7、)(B)(C) (D) (E)抵消無磁場。,答 (B)解 對甲的磁場為，對甲的磁場為。因距甲較近，故在甲的磁場比在甲的磁場大，甲處的磁場應為,範例 載流導線的實驗,在電流的磁效應實驗中，下列各項操作或敘述，何者正確？（應選三項）(A)將鐵粉灑在硬紙板上，通電後為觀察磁場形狀，應避免敲擊硬紙板(B)磁針偏轉的角度，乃完全受電流磁場所影響(C)電流愈大，磁針偏轉的角度愈大，但不成正比(D)可變電阻器之用途在調節電流大小(E)載流直導線之磁場形狀為同心圓，但圓與圓之間不等距,範例 解答,答 (C)(D)(E)解 (A)因電流磁場不大，輕輕敲擊硬紙板可使鐵粉沿磁力線分布。(B)磁針同時受地球磁場與電流
8、磁場的影響。(E)愈靠近導線，磁場愈強，磁力線愈密集。,範例 類題,如圖，導線垂直穿過一水平紙板， 為可變電阻，在紙板上放置甲、乙、丙三羅盤，當電路接通後，則(A)磁針偏轉角度最大的為甲羅盤(B)把甲羅盤鉛直往上提離至 P 點，磁針偏轉角度變小(C)把可變電阻的滑鍵往 M 滑動，甲羅盤磁針偏轉角度變大(D)乙羅盤磁針不偏轉，因為在該處，電流所生的磁場恰巧為零,範例 類題 解答,答 (C)解 (A)導線電流在丙處的磁場向南，故丙羅盤的 N 極可能偏轉 180。(B)磁針偏轉角度不變。(C)滑鍵往 M 滑動，電阻變小，電流變大，甲羅盤的磁針偏轉角度變大。(D)乙處的磁場向北，與地磁相同方向，故不偏
9、轉。,範例 磁力線,如圖，彈簧下端懸掛一永久磁鐵，磁鐵下方有一由螺線形線圈與軟鐵棒所構成的電磁鐵，下列哪一種方法可以增加彈簧的伸長量？(A)將可變電阻 P 向 N 移動(B)將可變電阻 P 向 M 移動(C)將軟鐵棒取出(D)將電池反接,答 (C)解 電磁鐵上端 N 極，與磁鐵相吸，若吸引力愈大，則彈簧的伸長量愈大，故 P 向 M 移動。,範例 類題,如圖所示，將一長直軟鐵棒彎成 U 形，然後在棒上纏繞線圈，並在軟鐵兩端附近各放甲、乙兩羅盤，磁針 N 極皆指向右方，當按下開關，線圈上通電流時，則甲、乙兩羅盤磁針 N 極之偏轉方向為何？(A)甲、乙均為順時針(B)甲、乙均為逆時針(C)甲為順時針
10、，乙為逆時針(D)甲為逆時針，乙為順時針,答 (C)解 U 形軟鐵通電後，左端為 N 極，右端為 S 極。,範例 載流導線在磁場中的磁力,答 (D)解 電流方向 A B，磁場方向 N S，由右手開掌定則可得磁力向上。,範例 類題,範例 兩平行載流導線的磁力,圖中甲、乙、丙為大小相同且位置固定的三個同軸圓線圈，三圈面相平行且與連接三圓心的軸線垂直。當三線圈通有同方向、大小均為 I 的穩定電流時，若僅考慮電流 I 所產生的磁場，下列有關此三線圈所受磁力方向的敘述，何者正確？(A)甲線圈受到乙線圈的吸引力，丙線圈則受到乙線圈的排斥力(B)甲線圈受到乙線圈的排斥力，丙線圈則受到乙線圈的吸引力(C)甲、
11、丙兩線圈均受到乙線圈的排斥力(D)甲、丙兩線圈均受到乙線圈的吸引力(E)三線圈間無磁力相互作用,範例 解答,答 (D)解 同向電流相吸，三導線電流同向，故互相吸引。,範例 類題,如右圖、為兩條可自由滑動的導線，跨接在一 U 型導線上，當按下 S 接成通路時，、之情形為何？(A) 向左，向右移動(B) 向右，向左移動(C)兩者均向右移動(D)兩者均不動,答 (B)解 、 為並聯組合，電流方向皆向下，兩導線互相吸引。,範例 帶電粒子在磁場中運動所受的磁力,範例 解答,答 (A)解 電子向地面入射，相當於正電粒子向上空入射，由右手開掌定則可得知，電子受地磁作用會向 P 點方向偏移。,範例 類題,太陽輻射中，含有會傷害生物的帶電粒子，但我們卻能安然生活在地球上，並可在南、北兩極區內欣賞到美麗的極光。請問是下列何種力量把帶電粒子引到兩極區，並和大氣碰撞產生極光？(A)地球磁場的力量(B)地球自轉的力量(C)地球引力(D)風力。,範例 類題 解答,答 (A)解 由右手開掌定則可知，由南向北的地球磁場將輻射線中的帶電粒子引導開來而不會直射地球。而射往或被引到兩極地區的帶電粒子，撞擊大氣層中的氣體分子或原子之後而產生的光，叫做極光。,
