關於此實驗
把磁鐵推入線圈中，即使沒有電池，也會有電流流過。磁鐵停下來，電流也會停止；把磁鐵拉出來，電流則會反向流動。1831年，麥可·法拉第發現，穿過線圈的磁場發生變化時會產生感應電壓。用手移動磁鐵、將磁鐵裝在彈簧上移動，或讓磁鐵沿直線穿過線圈，觀察電流計讀數、磁通量和感應電動勢如何隨速度、線圈匝數和磁鐵強度而變化。
學習目標
- 描述穿過線圈的磁通量發生變化時如何產生感應電動勢。
- 解釋感應電動勢的大小如何取決於速度、線圈匝數和磁鐵強度。
- 使用楞次定律預測感應電流的方向
- 將電動勢與磁通鏈隨時間變化圖的斜率連結起來
- 說明發電機和直流發電機如何發電
使用方法
- 1選擇「手動」。將磁鐵推入線圈，保持不動，然後將它拉出。指針何時會偏轉？
- 2讓磁鐵移動得更快。電流的大小會如何變化？
- 3選擇「裝在彈簧上」。比較這兩張圖。電動勢最大是在磁通量最大時，還是在磁通量變化最快時？
- 4將線圈匝數加倍，然後將磁鐵的強度加倍。每次操作後，電動勢峰值會如何變化？
- 5選擇「推入並穿過」，觀察線圈兩端的字母 N 和 S。線圈會把磁鐵推開，還是把它拉回來？
- 6將磁鐵翻轉並重複操作。電流方向會如何變化？
模型
假設
- 將磁鐵視為位於線圈軸線上的磁偶極子。當磁鐵沒有比線圈大很多時，這種近似是準確的；但在磁鐵附近，實際磁場會較弱。
- 線圈長4 cm，半徑為2 cm，線圈匝沿其長度均勻分布。
- 忽略磁制動：線圈中的電流不會使磁鐵減速。也忽略線圈的自感。
- 用手移動時，磁鐵會平順地跟隨指針，因此它的速度取決於你移動的快慢。
在課堂上試試這個實驗
- Q1無論磁鐵有多強，為什麼將它靜止地放在線圈內都不會產生電流？
- Q2磁鐵通過線圈時，電動勢會出現兩個符號相反的峰值。請說明原因。
- Q3使用冷次定律解釋：當線圈連接到燈泡時，為什麼把磁鐵推入線圈需要更大的力？
- Q4騎自行車時，騎得越快，車用發電機點亮的車燈就越亮。為什麼？
- Q5為什麼匝數增加一倍、但使用較細導線製成的線圈，電流不一定也會增加一倍？
常見問題
磁通量和磁通鏈有什麼差異？
磁通量是穿過線圈一匝的磁場量。磁鏈等於磁通量乘以匝數，即 NΦ，因為每一匝產生的電動勢都會串聯疊加。
為什麼磁鐵位於線圈中央時，電動勢為零？
此時磁通量最大，但並未變化：無論稍微往哪一邊移動，磁通量都幾乎不會改變。電動勢取決於磁通量變化的快慢，而不是它的大小。
電能從哪裡來？
這來自你移動磁鐵所做的功。根據冷次定律，感應電流總會產生一個阻礙運動的磁力，因此你必須持續推動磁鐵，才能讓它繼續運動。在這個模型中，這個力太小，不足以明顯減慢磁鐵的速度。