CHAPTER 16 電磁感應 第一節 法拉第電磁感應定律與冷次定律 第二節 發電機及交流電 第三節 電磁波

法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.156 第一節 法拉第電磁感應定律與冷次定律 一、 法拉第電磁感應定律和磁通量

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而我們再看另外一個實驗：我們將一線圈接到檢流計（電流計）上，另外以一個磁鐵來靠近或遠離這個線圈。 法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.156 而我們再看另外一個實驗：我們將一線圈接到檢流計（電流計）上，另外以一個磁鐵來靠近或遠離這個線圈。 我們可以發現，當磁鐵的N極或S極垂直接近線圈時，檢流計的指針會偏轉，表示有電流流過這個線圈。

如果磁鐵的N極或S極垂直離開線圈時，檢流計的指針也會偏轉，表示有電流流過這個線圈，而此電流的方向和接近時的電流方向是相反的。 法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.156 如果磁鐵的N極或S極垂直離開線圈時，檢流計的指針也會偏轉，表示有電流流過這個線圈，而此電流的方向和接近時的電流方向是相反的。 但是當磁鐵靜止不動時，不管磁鐵在線圈的位置多近，檢流計的指針都不會偏轉，表示沒有電流流過線圈。

1.當磁鐵和線圈有相對的運動時才會產生電流。 法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.156 此實驗有以下結論： 1.當磁鐵和線圈有相對的運動時才會產生電流。 2.接近或遠離的速度愈大，產生的電流愈大。 3.接近時和遠離時，產生電流的方向是相反的。 4.如果將磁鐵的N極和S極互換進行實驗，產生的電流是相反的。

法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.156 我們可以得到一個結論：當磁鐵和線圈有相對的運動時，檢流計和線圈的電路中會有電流流過，雖然這個電路沒有電池提供電動勢，但還是產生了電流，這個電流稱為感應電流，而這一個提供感應電流的電動勢是由磁場相對線圈運動所產生的，稱為感應電動勢（圖16-2）。

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法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.157 法拉第（圖16-3）設計了一個電磁感應的實驗（圖16-4）：將線圈繞著鐵環接到一個電池，另外將另一個線圈繞著同一個鐵環，再接到檢流器上；當電池開關打開時，檢流器指針會轉動，電池提供的電流穩定時檢流器指針不會再轉動。再將電池開關關上時，檢流器指針會轉動，然後恢復到0的位置。

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法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.157 法拉第推論：電流是由隨時間而改變的磁場所產生的，即當電流有改變時，磁場才會因而有所變化，副電路才會產生感應電流，所以法拉第的實驗中，只有當電池的開關打開或關上的瞬間，才有電流的變化，也就是在這一瞬間才有感應電動勢，使得副電路有感應電流。

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由法拉第電磁感應定律可知，產生感應電動勢的條件為： 法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.158 由法拉第電磁感應定律可知，產生感應電動勢的條件為： 　1.磁場的變化。 　2.面積的變化。 　3.磁場和面積所夾角度的變化。 　4.以上的組合變化。

法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.159 電吉他就是一種電磁感應的應用：吉他弦的部分被磁化為永久磁鐵，在旁邊放置一磁鐵及集音線圈(pickup coil)，如圖16-6所示。當弦被撥動時，會改變集音線圈的磁通量，而產生感應電動勢，將此感應電動勢提供給擴大機，再經擴大機將訊息輸出至喇叭，而發出我們所聽到電吉他的聲音。

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法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.159 二、 冷次定律 法拉第發表電磁感應定律不久之後，俄國物理學家冷次（Heinrich Fried rich Emil Lenz，1804～1865）（圖16-8）總結了安培的右則定律和法拉第的電感應定律，在1833年提出了感應電動勢是為了阻止磁通量的變化，使其產生感應電流阻止磁鐵或帶電線圈的運動，即我們所稱的冷次定律（Lenz's law）。之後德國物理學家亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz，1821～1894年）證實了冷次定律為電磁現象中的能量守恆。

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我們可以用下面的實驗來解說冷次定律的現象： 法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.160 我們可以用磁通量的觀點來看冷次定律：迴路中感應電動勢的磁極，是感應電流所產生的磁場方向，而產生此磁場方向是為了企圖保有原來磁通量不被改變，也就是感應電流的產生是為了對抗磁通量的變化。 　　我們可以用下面的實驗來解說冷次定律的現象：

法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.160 1.當磁鐵接近線圈時，線圈為了阻止磁通量的增加而產生一個和接近磁鐵磁極相同的磁極，而產生一個排斥方向的磁極，而產生排斥磁極的方法就是產生一個感應電流，由此感應電流來產生排斥方向磁極的磁場，如圖16-9所示。

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法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.160 2.當磁鐵離開線圈時，線圈為了阻止磁通量的減少而產生一個和接近磁鐵磁極相反的磁極，而產生一個吸引方向的磁極，而產生吸引磁極的方法就是產生一個感應電流，由此磁感應電流來產生吸引方向磁極的磁場，如圖16-10所示。

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法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.160 透過以上例題，當在考慮感應電動勢時，我們可以用冷次定律來判斷感應電動勢的方向：當導體被施力向外拉時，向下的磁通量增加，所以我們可以由冷次定律來判斷，向下的磁通量增加必產生一個相反方向的磁場，此磁場由感應電流所產生，用線圈右手定則，所以得到電流為逆時針的流向，我們可以視為一個感應電動勢推動電流，如圖16-11所示。

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法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.161 三、 渦電流 以一個矩型線圈進入與線圈垂直的均勻磁場中，由於線圈內的磁通量會增加，使得矩型線圈產生了感應電流來抗拒磁通量的改變。若以薄鐵板來取代矩型線圈，一樣的在薄鐵板內部及表面也會形成感應的電流，這樣有如水中渦流狀的電流，稱為渦電流（eddy current）（圖16-13）。

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法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.161 渦電流又稱為傅科電流，這現象是在1851年由法國物理學家萊昂‧傅科（Jean Bernard Leon Foucault，1819年～ 1868年）所發現，傳科發現當移動的金屬和磁場垂直時，會因為電磁感應，在導體內產生一個循環的電流，即渦電流。 渦電流的應用如下：

法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.162 (一)金屬探測器 　　利用電磁感應的原理，使一個線圈通以交流電，則線圈會產生迅速變化的磁場，這個磁場會使地下的金屬物體產生渦電流，而金屬物體產生的渦電流又會產生磁場，這個磁場會影響原有的磁場，引發探測器發出聲音，利用這個原理可以做出金屬探測器（圖16-14），探測地下看不見的金屬或軍火（如地雷）。機場的金屬掃描器也是運用此原理所製成的儀器。

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法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.162 (二)電磁爐 　　電磁爐是利用電磁感應的原理，用交流電使器皿的底部產生了渦電流，渦電流在器皿內因電阻而產生熱能，另外磁滯耗損也提供了小部分的熱能（圖16-15、16-16）。電磁爐的易清理、易控制火力及高效能為其優點，但只適用磁物質器皿、平底器皿，不適於使用心臟起搏器及纖顫器的人使用為其缺點。

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四、 變壓器 變壓器（transformer）是我們生活中常用到的電路元件，變壓器是利用法拉電磁感應定律的原理所製成的，用來升降電壓。 法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.162 四、 變壓器 　　變壓器（transformer）是我們生活中常用到的電路元件，變壓器是利用法拉電磁感應定律的原理所製成的，用來升降電壓。 1831年法拉第發明了一個電感環來證實電磁感應，但是法拉第並未深入研究電感環的實用性；直到了19世紀實用的變壓器才被製造使用。

變壓器能使交流電簡單的被升壓或降壓，使得發電廠在是否要用直流電或交流電輸出的競爭中，交流電就佔了能夠簡單變壓的優勢。 法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.163 變壓器能使交流電簡單的被升壓或降壓，使得發電廠在是否要用直流電或交流電輸出的競爭中，交流電就佔了能夠簡單變壓的優勢。 在電力的運輸中，能量的耗損一直是最大的問題，而變壓器能先將發電廠所要輸出的電壓轉換成高電壓低電流的輸出，到了用戶附近再將高電壓低電流的供電轉換成電器產品所需的低電壓高電流。

在傳輸的過程中，高電壓低電流所耗損的能量較少，所以目前的發電廠都是採用交流電來供電。 法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.163 在傳輸的過程中，高電壓低電流所耗損的能量較少，所以目前的發電廠都是採用交流電來供電。 以下我們討論變壓器升降電壓的原理，變壓器的簡單構造為兩組的線圈所組成，交流電所流經的線圈為主線圈（primary），另一側的線圈為副線圈（secondary）

法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.163 當交流電（或不定量的電流）流過主線圈時，會使主線圈產生磁通量的變化，這個磁通量的變化通過軟鐵，會使得副線圈磁通量隨之變化，當副線圈通過磁通量時，副線圈因電磁感應定律，產生感應電動勢（圖16-18）。很明顯的，變壓器需要磁通量的變化，所以並不適用於直流電。

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變壓器也有它的能力限制： 1.變壓器無法將直流電變成交流電。 2.變壓器無法將交流電變成直流電。 3.變壓器無法改變直流電的電壓及電流。 法拉第電磁感應定律與冷次定律 課本 P.164 　變壓器也有它的能力限制： 　1.變壓器無法將直流電變成交流電。 　2.變壓器無法將交流電變成直流電。 　3.變壓器無法改變直流電的電壓及電流。 　4.變壓器無法改變交流電的頻率。 　5.變壓器無法改變單向電流，變成多向電流。

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發電機與交流電 課本 P.165 第二節 發電機與交流電 發電機和電動機大致上大同小異，都是運用外部的磁鐵所產生的磁場，以及一個磁場中可轉動的線圈（圖16-21），電動機是供予線圈電流，運用磁場對於載流導的磁力而產生一個轉動的力矩，使得發電機因而轉動，是電流磁效應的應用。

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發電機與交流電 課本 P.165 而發電機正好相反，施加外力使線圈轉動，當線圈在磁場中轉動時，線圈的磁通量會因為轉動而產生變化，磁通量隨時間的變化產生了感應電動勢，因而輸出電流，這就是發電機，其原理利用了電磁感應定律。

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2.簡易發電機所得的電流為交流電（AC），目前電力公司所輸出的家庭用電即是交流電。 發電機與交流電 課本 P.165 我們可以發現到： 　1.發電機是由動能轉成電能。 　2.簡易發電機所得的電流為交流電（AC），目前電力公司所輸出的家庭用電即是交流電。 　3.要使用直流電時，必需將交流電經過整流變換後，交流電才會變成直流電。

電磁波 課本 P.166 第三節 電磁波 我們的生活周遭充斥著電磁波，不管是吹乾頭髮用的吹風機或欣賞節目用的電視機及投影機等電器，在使用時，都會輻射出電磁波。尤其是現在的資訊通訊時代，電磁波的運用更是普及，電磁波的知識帶給人們方便，當然也形成了一門重要的科學知識。

電磁波 課本 P.166 一、 電磁波的產生及其傳播 在馬克斯威的年代，人們對於電磁波的了解並不多，人們在當時所能掌握的電磁波只有可見光、紅外線以及紫外線，當時人們認為這些就是所有的輻射，不可能有其他形態輻射的波。

電磁波 課本 P.166 英國科學家理論物理學家詹姆斯‧克拉克‧馬克斯威（James Clerk Maxwell，1831～1879）（圖16-22）在電磁學上有著不可動搖的貢獻，馬克斯威最大的貢獻就是將電磁學整合為四條公式，創造了古典電動力學，這四個方程式稱為馬克斯威方程式（Maxwell's equations）（表16-1）。

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電磁波 課本 P.166 馬克斯威除了整合了電磁學的方程式外，他還提出了可見光為電磁波中的一部分，1865年馬克斯威大膽的預測了電磁波（electromagnetic waves）的存在。 在馬克斯威死後，1887年德國物理學家海因里希‧魯道夫‧赫茲（Heinrich Rudolf Hertz，1857～1894）（圖16-23）證實了電磁波的存在。

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電磁波 課本 P.167 赫茲使用了接到感應線圈的兩個金屬球為發射器，而另外接一個線圈的兩個金屬球為接收器，這個裝置類似一個LC（電感-電容）電路（圖16-24）；調整發射器的兩個金屬球在極短的距離加以電源，當兩金屬球間的電場強到超過了空氣的介電強度時，電荷便在兩金屬球間來回的振動，產生振盪電流而發射出電磁波，此振盪的頻率約為100M Hz。

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依據赫茲的電磁波偵測裝置，可以設計出一個LC電路為無線電波的發射器，如圖16-25所示。 課本 P.167 發射器火花電流所放出的電磁波會被接收器的線圈所接收。通過接收器的磁通量隨時間快速改變，形成了感應電動勢，這個感應電動勢會在接收器的兩個金屬球間形成電場，當電場強度超過了空氣介電強度時，接收器的兩個金屬球間就會產生火花放電的現象。 依據赫茲的電磁波偵測裝置，可以設計出一個LC電路為無線電波的發射器，如圖16-25所示。

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電磁波 課本 P.168 當交流電源提供能量到LC的電路時，振盪器上的電流成正弦（sin）的變化，此變化造成了電偶極天線電荷的變化，頻率大小和方向也隨之變化，當電偶極天線的電荷變化，偶極所產生的電場也隨之變化，而電流的變化也使得所產生的磁場跟著產生變化（圖16-27）。

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由磁場和電場的變化（圖16-28），我們會發現以下的結論： 電磁波 課本 P.168 由磁場和電場的變化（圖16-28），我們會發現以下的結論：

電磁波 課本 P.168 二、 電磁波譜 電磁波有許多不同的頻率，將所有電磁波可能的頻率分布做出整理，可以得到電磁波譜。電磁波的頻率自低排列到高分別為：長波、無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X光以及珈瑪射線。以下為電磁波譜的圖示（圖16-29）。

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電磁波 課本 P.168 電磁波在不同的頻率，電磁輻射和物質的交互作用會有所不同，也就造成了電磁波在不同的領域中會有不同的特色。以下我們將簡介電磁波不同波段的名稱，以及在日常生活中的應用：

電磁波 課本 P.168 (一)長波 　　長波（Long wave）是電磁波中頻率最低的一種，在低頻的電磁波中，被無線電所利用的為低頻的一段，也就是30～300k Hz的這一段，也有人將300k Hz以下的電磁波統稱為長波。

電磁波 課本 P.168 長波特性和調幅（AM）的特性差不多，很容易在傳播時受地形地貌的影響而被阻擋，在無線電通訊尚未流行時，由於長波容易使用真空管將功率放大，所以在早期就變成了無線電通訊和廣播的寵兒。但是要使長波傳播得遠，則天線要非常長，功率也要非常的大，加上長波易被其他的雜訊（如工廠變壓器或家庭電器…等）所影響，使得長波漸漸被無線電波所取代。

電磁波 課本 P.168 長波生活中的應用如下： 1.廣播：60年代有許多電台都是以長波來放送廣播節目，在沒有電視的時代中，收聽長波的廣播節目是老一輩在年輕時的樂趣，但隨時代的進步，AM及FM取代了長波及短波的廣播，加上電視及網路的快速發展，長波廣播已成了歷史名詞。

電磁波 課本 P.170 2.標幟台：除了衛星導航的技術外，許多的地方都有標幟台的應用，標幟台一直無方向性的傳送簡單的識別訊息，以供飛行器及航海器來校正自己的所在位置。 3.標時台：世界上有許多國家有標時台，標時台以100k Hz以下穩定的頻率，24小時傳送時間的精確訊息，以供時間的校對；長波標時台較短波精準而不受電離層等因素的干擾，使得長波標時台的應用越來越熱門（圖16-30）。

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電磁波 課本 P.170 4.軍事用途：美國為了保持軍事上對通訊的聯絡及戰情的管理，所以除了衛星通訊外，最有名的是「GWEN地波緊急網路」及「ELF計劃」，GWEN是指「Ground Wave Emergency Network」。不管在太陽黑子的強烈活動或核武器的影響下，還可以有另一種安全可靠的通訊方式，這就是美國軍事上對長波的GWEN地波緊急網路的應用。

電磁波 課本 P.170 (二)無線電波 　　無線電波（radio waves）是利用電荷來回共振原理所產生；無線電波可以由LC振盪的電子迴路所產生，經由天線將無線電波發射及接收。無線電波的應用如下：

1.通訊：無線電波廣泛的使用在通訊上，包含了收音機的調頻（FM）及調幅（AM）電台、電視的傳播系統（無線電視節目）、行動電話以及無線電通訊。 電磁波 課本 P.170 1.通訊：無線電波廣泛的使用在通訊上，包含了收音機的調頻（FM）及調幅（AM）電台、電視的傳播系統（無線電視節目）、行動電話以及無線電通訊。 2.無線電天文台：無線電天文台接收宇宙的無線電波訊息，可以用來研究星體的物理及化學性質。 3.軍事用途：軍隊中常用無線電通訊器材作為聯絡用的工具（圖16-31）。

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微波（microwaves）的波長在1 mm到30 cm之間。其用途如下： 電磁波 課本 P.170 (三)微波 　　微波（microwaves）的波長在1 mm到30 cm之間。其用途如下：   　加熱：微波爐利用水分子的電偶極隨著電場的變化，不停轉動而產生熱能，使得食物加熱（圖16-33）。

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航空通訊：微波的波長短，適合飛航雷達的使用。 電磁波 課本 P.171 　航空通訊：微波的波長短，適合飛航雷達的使用。 　Wi-Fi無線通訊：Wi-Fi是使用低強度的微波來傳遞資訊，這個強度並不會對物體產生加熱，已獲得大多數國家的認同使用。

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3.家庭：電視遙控器、錄影機遙控器、冷氣機遙控器…大部分都是紅外線的應用。 電磁波 課本 P.172 3.家庭：電視遙控器、錄影機遙控器、冷氣機遙控器…大部分都是紅外線的應用。 4.軍事：紅外線掃描器可探測出建築物或掩體後方的熱源及其情形（圖16-35）。

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電磁波 課本 P.172 1.紫外線天文學：紫外線天文學為天文學的分支，在地球因紫外線被阻擋而不易觀察，目前都利用在太空中的望遠鏡進行對星體紫外線輻射的觀察，例如哈伯望遠鏡和遠紫外線分光探測器。 2.紫外線殺菌及消毒（圖16-36）。

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1.醫學：放射線照相術（radiography）可以提供X光片來當做診斷的依據（圖16-37）。 電磁波 課本 P.173 1.醫學：放射線照相術（radiography）可以提供X光片來當做診斷的依據（圖16-37）。 2.X射線晶體學：利用X射線通過晶體所產生的繞射現象，研究晶體的結構。 3.X射線天文學：透過中子星或黑洞等星體所產生的X射線，研究其星體及其星體活動的情形。

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1.農業：珈瑪射線可以殺菌，保持食物新鮮；珈瑪射線可以使種子細胞發生突變，產生新品種。 電磁波 課本 P.173 1.農業：珈瑪射線可以殺菌，保持食物新鮮；珈瑪射線可以使種子細胞發生突變，產生新品種。 2.天文：可藉由觀測珈瑪射線了解恆星核聚變的現象（圖16-38）。 3.醫學：珈瑪射線可利用在斷層掃描及癌症病患的放射性治療法。

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