單元拾陸：電磁感應

 

一、電磁感應原理：

(一)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。

(二)法拉第定律：

1.感應電流的大小與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。

(三)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：

(一)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）

(二)發電機的構造：

1.發電機依電流方向是否固定，可分為：交流電發電機和直流電發電機兩種，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：

(一)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A、B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。