單元拾陸:電磁感應

 

一、電磁感應原理

()磁場的變化與感應電流:

1.法拉第發現:如果線圈內的磁場發生變化時,原本無電流的線圈會因而產生電流,此種利用磁場變化而產生電流的現象稱為電磁感應

2.取一根空心螺線圈串聯一電流計,裝置如圖一:

以長條形永久磁鐵迅速進入空心螺線圈,結果電流計指針偏轉,代表在磁鐵進入線圈時,有電流產生。

3.運用電磁感應原理而產生的電流為感應電流

4.歷史上第一個發明發電機的科學家是法拉第

()法拉第定律:

1.感應電流的大小磁場變化的速率成正比(線圈的匝數固定時)。

2.感應電流的大小與線匝數成正比。(磁場變化的速率固定時)。

3.增加線圈匝數、加快磁場變化的速率皆可增加線圈感應產生電流的大小。

()冷次定律:

1.冷次定律:(判斷感應電流的方向)當線圈上生成感應電流時會生成新的磁場,此新的磁場恆與原磁場變化的方向相抗衡

2.冷次定律主要立基於能量守恆的觀點,要產生電能就必須作功,故發電必需以外力反抗因感應電流而產生的磁場作用力而作功,所以發電機本身是要消耗能量才能輸出電能。(如圖二)

(1)圖二中之甲圖以永久磁鐵的S極由線圈右端進入時,線圈所生的感應電流會產生一排斥S極進入的磁場,故線圈右端會生成S極,據此可判斷感應電流的方向;由右向左通過檢流計

(2)圖二之乙:當永久磁鐵的N極進入線圈右端時,依據冷次定律,線會產生抗拒N極(方向向左的磁場)增強,故線圈右端會生成N極,故感應電流的方向由檢流計的左側向右流動

 

二、發電機

()發電機原理:

1.發電機所運用的原理:是根據電磁感應原理,運用磁場在線圈中快速變化而產生感應電流。

2.由發電機產生的電流稱為感應電流,因為發電的線圈數目是固定的,故感應電流的大小與磁場變化速率成正比法拉第定律)。

3.發電機所生的感應電流的方向;依據冷次定律判斷,也是本單元的重點之一。

4.有電流時必定能產生磁場,但有磁場時未必會產生電流。(磁場強弱須有變化才能產生感應電流)

()發電機的構造:

1.發電機依電流方向是否固定,可分為:交流電發電機直流電發電機兩種,其差別在於集電環的不同,其於各部分皆相同。

2.基於電力輸送為減低能量消耗需提高電壓,為符合改變電壓的需求,發電廠採用的發電機皆為:交流電發電機。

3.發電機的構造與電動機相同,只是兩者在能量轉換的過程是相反的,發電機主要的構造有三個部分:(如圖三所示)

(1)電樞:又稱為線圈,是由多匝漆包線纒繞於軟鐵芯構成,是發電機最主要的部分。

(2)場磁鐵:用以提供線圈所需的磁場變化,在線圈快速轉動時能感應產生電流。

(3)集電環:分為交流電和直流電兩種,其構造亦不相同。(如圖四):集電環固定於線圈轉軸的輸出裝置,為活性極小的純銅或鉑製成的金屬環,配合電刷在電樞轉動產生感應電流時將電流輸出至外電路,又能使外電路不會隨著線圈轉動。

 

三、發電機與冷次定律

()發電機的運轉:

1.發電機與電動機的能量轉換方式不同,電動機藉電能作功轉換為動能,而發電機則藉外力作功轉換為電能,因此發電機要運轉,就必需藉著:水力、火力、核能…等能量才能發電。

2.以交流電發電機的運轉為例:觀察電樞的轉動和感應電流方向變化的關係。

(1)如圖五;當電樞受力向逆時鐘旋轉;軟鐵芯因感應電流而磁化成暫時磁鐵。

(2)根據「冷次定律」,感應電流所感應產生的磁場會與場磁鐵的磁場相抗衡,故軟鐵芯因電流的磁效應而生的磁場方向會與場磁鐵的磁極相斥(如圖六):

(3)承上第(2)點之敘述,發電機之感應電之方向如圖六所示;感應電流由A電刷輸出,則A電刷稱為電源的正極。而電流經外電路後由B電刷進入發電機,故B電刷稱為電源的負極

(4)交流電發電機在電樞轉動180°時,感應電流之方向會改變一次,此時AB電刷的正、負極性亦隨之改變。

(5)當電樞轉動一週(即360°)時,交流電方向會改變兩次。

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