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電磁鐵的原理及運用《臺中市賴厝國小~自然新視界》電磁鐵的由來•1820年，丹麥人厄司特（HansChristianOersted,1777-1851）所發現的電流磁效應，顯示了電與磁的關聯性。此後，許多科學家便試圖尋找由磁產生電的逆效應。1821年，英國大科學家法拉第（MichaelFaraday，1791-1867）也在其筆記中，提醒自己應探討如何「把磁變成電」。在電流磁效應被發現後不久，大約在1825年，英國人斯特金（WilliamSturgeon,1783-1850）將通有電流的金屬線纏繞在絕緣的鐵棒上，發明了電磁鐵。電磁鐵通電時便有磁性，不通電就沒有磁性，方便我們運用。電磁鐵和一般永久磁鐵的差別•電磁鐵和一般永久磁鐵最大的差別，是電磁鐵可以藉由改變通過線圈的電流大小及線圈的匝數來控制磁性的大小，而一般磁鐵的磁性則是固定的。也因此，電磁鐵在實驗室及生活應用上都相當重要，像電動機、發電機、起重機等，都運用到電磁鐵。電磁鐵的原理•當直流電通過導體時會產生磁場，若使直流電通過由導體構成的線圈則會產生具方向性的磁場。但是單純由直流電和線圈所構成磁場不夠集中而導致產生的磁力不夠，因此會在線圈的中心加入一磁性物質以達到集中磁場的效果。•一般而言，電磁鐵所產生的磁場強度和直流電大小、線圈圈數及中心的導磁物質有關，在設計電磁鐵時會注重線圈的分佈和導鐵物質的選擇，並利用直流電的大小來控制磁場強度。然而線圈的材料具有電阻而限制了電磁鐵所能產生的磁場大小，但隨著超導體的發現與應用將有機會突破現有的限制安培右手定則•如右圖所示,一載流長直導線,若電流為由下而上,則產生環狀磁場•以右手握住載流導線,姆指指向電流方向,則餘四指纏繞方向為感應磁場方向•由上往下看為逆時針方向•在任一點的感應磁場方向為其切線方向•離載流導線愈遠,所生的磁場強度愈弱•(所謂磁場方向即為磁針N極在磁場中的受力方向,亦為磁針N極在磁場中所指的方向)即：磁場方向=Ｎ極受力方向=Ｎ極所指方向螺旋右手定則•如右圖所示為一載流螺線形導線•四指纏繞的方向為電流纏繞方向,則姆指所指方向則為感應磁場方向電磁鐵日常生活中用途產品如下:•(1)電鈴、電動機（馬達）、電話等，都有利用電磁鐵產生動作。(2)錄音帶可以把聲音錄下來，電腦的硬碟可以把資料記錄下來，這些都是利用磁頭的電磁鐵改變錄音帶和磁碟上磁性物質的性質而達到這些效果的.(3)電腦硬碟的磁頭和磁碟。(4)喇叭能發出聲音，是因為裡面的線電磁鐵通電後，和外圈的磁鐵不斷互相吸引和排斥，就會造成震動，然後發出聲音.電磁鐵日常生活中用途產品如下:•(5)光碟機的雷射讀取頭:光碟機，CD撥放機等等使用光碟的設備，裡面會有一個雷射讀取頭。在雷射讀取頭上的透境必須使用電磁鐵來控制和光碟之間的距離，這樣才能讀取正確的資料.(6)變壓器電磁鐵除了可以將電轉換成磁力，還可以將磁力的變化轉換成電力。在同一根鐵心上，用兩組線圈做兩個電磁鐵，其中一個輸入交流電(電流方向會不斷變化的電)，另一組電磁鐵的兩端就會有電壓輸出。輸出電壓的大小與線圈圈數有關，圈數越多，電壓越高。利用這樣的原理可以製造提高或降低電壓的各種變壓器。利用電磁鐵原理還有:電風扇、吸塵器、電鈴、吹風機、抽水機、洗衣機、果汁機、攪拌機、電冰箱、冷氣機、割草機廢鐵工廠常用電磁鐵起重機...等等。揚聲器-1•揚聲器應用了電磁鐵來把電流轉化為聲音(圖一)。原來，電流與磁力有很密切的關係。試試把銅線繞在長鐵釘上，然後再接上小電池，你會發現鐵釘可以把萬字夾吸起。當電流通過線圈時會產生磁場，磁場的方向就由右手法則來決定。電鈴•電鈴的構造圖如左,其包含幾個主要之設計(1)電磁鐵(2)彈簧片(如圖之粉紅色部份)•當電路為通路時→因電生磁而感應產生磁場→吸引鈴錘擊鈴→成斷路狀態(電磁鐵失去磁性)→因簧片彈力,使鈴錘彈回→電路又成通路→如上重複,故產生連續鈴聲無熔絲開關•無熔絲開關可在家中的電源總開關處看到(取代舊有的保險絲)•其功用在於當用電過量時,此開關會自動切斷電源,以保安全•其不同於保險絲處在於不需更換(當開關自動切斷時,只要再將其扳上即可,,,不過.......想一想會如何?)•你能不能由圖看出,電磁鐵在那裏呢(應該很容易看出來的)•你能看出無熔絲開關的自動開關原理嗎?(機關頗為複雜哦!)揚聲器-2•揚聲器同時運用了電磁鐵和永久磁鐵(圖二)。假設現在要播放C調(頻率為256Hz，即每秒振動256次)，唱機就會輸出256Hz的交流電，換句話說，在一秒鐘內電流的方向會改變256次。每一次電流改變方向時，電磁鐵上的線圈所產生的磁場方向也會隨著改變。我們都知道，磁力是「同極相拒，異極相吸」的，線圈的磁極不停地改變，與永久磁鐵一時相吸，一時相斥，產生了每秒鐘256次的振動。線圈與一個薄膜相連，當薄膜與線圈一起振動時，便會推動了周圍的空氣。振動的空氣，不就是聲音嗎？這就是揚聲器的運作原理了。磁浮火車-1•要以最快的速度從一個地方去到數百公里，甚至數千公里以外的地方，一般人都會選擇乘搭飛機。可是，在不久的將來，一種新的交通工具將會帶領人們以高速於城市之間穿梭。目前為止，一般的子彈火車能以200km/h的速度前進。由於火車與路軌之間的磨擦力限制了火車的最高速度，所以人們便開始研究能懸浮於路軌之上的火車，於是便有磁浮火車的出現了。磁浮火車-2•顧名思義，磁浮火車是利用磁力使火車懸浮於路軌之上。磁浮火車經常被稱為MagLev，即MagneticallyLevitatedtrain的簡寫。但是，利用一般的磁鐵並不能把火車穩定地浮起。要是你將兩塊磁鐵的北極相對，你會發現無法使一塊磁鐵穩定地浮在另一塊上(圖一)。所以，要把火車浮起並不如想像中般簡單。真正磁浮火車是如何浮起來的？目前，磁浮火車還在試驗階段。德國科學家設計了一個名為Transrapid的系統，利用了「電磁力懸浮法」(EMS)把火車浮起(圖二)。在這個系統中，火車的底部包著一條導軌，在火車底部起落架的電磁鐵向著導軌，磁力使火車懸浮在導軌之上約一厘米，即使在靜止的時候，火車仍然保持浮起。其他導引磁鐵則能使火車在行使時保持穩定。磁浮火車-3•磁浮火車是怎樣被推動的？它的基本原理很簡單。以日本的磁浮火車為例。移動的列車帶同超導磁鐵在導槽兩邊的線圈感應出電流，根據這些訊息，系統便會把交流電輸入導槽兩邊的推進線圈，產生南北梅花間竹的磁極(圖五)，對超導磁鐵造成拉力和推力，使列車加速。•磁浮火車能懸浮在路軌上行駛，免除了火車與路軌之間的磨擦力，故能以高速飛馳。估計未來的磁浮火車能以高達500km/h的速度行駛，比現在最快的火車速度要高一倍。此外，磁浮火車非常寧靜。德國農民在磁浮火車路軌附近工作，幾乎察覺不到有火車經過呢！但磁浮火車有一個缺點，就是建造導軌的費用昂貴。磁浮火車只能在這些導軌上走，大大限制了它的發展。起重機•鋼板又重又大，怎樣搬運既方便又省力？錄音機（Taperecorder）•錄音機（Taperecorder）的出現，最早可追溯至1877年美國發明大王愛迪生發明留聲機。愛迪生將聲波變換成金屬針的震動，並刻錄於錫箔上，利用錫箔與金屬針實現了錄音。1896年時丹麥的年輕電機工程師波爾森（ValdemarPoulsen）將音波轉為電流，再轉換為磁力，並把磁力保存在鋼琴線上，實現了磁氣錄音，並於1898年獲得專利。但是錄音機的真正流行還是在發明磁帶以後。1935年德國科學家福勞耶瑪發明了磁帶，在醋酸鹽帶基塗上氧化鐵，正式替代了鋼絲。1962年荷蘭飛利浦公司發明盒式磁帶錄音機。