第 4 冊 單元 5.3 電磁感應的應用

數碼筆 數碼筆的用法跟平常用筆寫字畫圖一樣，只不過並非寫在紙上，而是在感應板上。 起 點 數碼筆的用法跟平常用筆寫字畫圖一樣，只不過並非寫在紙上，而是在感應板上。 有些數碼筆是無線且不用安裝電池，它們究竟是怎樣 運作的？(p.265)

發電機 發電機 規模有大有小 小型發電機可用作單車頭燈的電源 發電站內的巨型發電機則可供應市電給住所、辦公室和工廠

利用電磁感應現象 原理：在磁場中轉動線圈以產生電流 能量轉換器： 其他形式的能量  電能 運作起來像是一台反向操作的電動機

録像片段5.6

線圈轉動時的感生電動勢和電流 考慮磁場中轉動的線圈。 ① 線圈從水平位置開始轉動 a 考慮磁場中轉動的線圈。 ① 線圈從水平位置開始轉動 AB 向上移動 CD 向下移動  AB 和 CD 兩邊都 感生出電動勢，像 兩顆串聯的電池  驅動電流流過線圈 以及外電路

考慮磁場中轉動的線圈。 ② 線圈轉動四分之一周後便經過 垂直位置 AB 和 CD 兩邊的運動方向正好 與磁場平行 ② 線圈轉動四分之一周後便經過 垂直位置 AB 和 CD 兩邊的運動方向正好 與磁場平行 沒有切割任何磁力線  感生電動勢和感生電流下降至零

考慮磁場中轉動的線圈。 ③ 線圈剛好轉動半周 ∵ AB 向下移動 CD 向上移動 感生電流在外電路中 以反方向移動 導線開始在 E 處纏繞

如果線圈一直在轉，通過它的電流就會不斷前後交替流動（交流電） 導線會繞在一起 線圈轉動四分之三周後 線圈再次處於垂直位置 感生電流再次消失 線圈轉動一周後 情況又與 ➀ 一樣 如果線圈一直在轉，通過它的電流就會不斷前後交替流動（交流電） 導線會繞在一起 旋轉線圈所感生的電流 模擬程式 5.2

簡單交流發電機 簡單交流發電機： 發電機內的線圈安裝在軸承上，並置於磁鐵的兩極之間。 兩個銅製的匯電環附於 線圈的末端，隨線圈 一起轉動。 b 簡單交流發電機： 發電機內的線圈安裝在軸承上，並置於磁鐵的兩極之間。 兩個銅製的匯電環附於 線圈的末端，隨線圈 一起轉動。 兩個碳電刷輕輕壓住 匯電環，把它們連接 到外電路。

線圈轉動時，線圈中會感生出交變電動勢  驅動交流電通過外電路 外電路的電流會在線圈轉動半周之後倒轉方向。

線圖顯示，線圈轉動一周時的電流變化： 電流以某一方向流動 時為 +，以相反方向 流動時為 –。 交流電頻率與線圈的 轉動頻率必定相同。

線圈與磁場互相平行時，電流最大。 磁力線的切割率最高 線圈與磁場互相垂直時，電流為零。 磁力線的切割率為零 簡單交流發電機 模擬程式 5.3

發電機產生的感生電動勢與感生電流可用以下方法增加： 1 改用更強的磁鐵 2 增加線圈的匝數 3 增加線圈在磁場內的面積 4 把線圈繞在軟鐵心上 5 加快線圈轉動的速率（即增加頻率）

相同 線圈的轉動頻率 交流電頻率 ????

一部簡單交流發電機所產生 的交流電隨時間而變化。 (a) 交流電的頻率是多少？ 線圈用 0.04 s 轉動 1 周。 交流發電機的電流 例 題 9 一部簡單交流發電機所產生 的交流電隨時間而變化。 (a) 交流電的頻率是多少？ 線圈用 0.04 s 轉動 1 周。 ∴ 週期 T = 0.04 s。 f = 1 T 1 0.04 = = 25 Hz

(b) 如果線圈的轉速提高至 原來的兩倍，交流電的 (i) 頻率； (ii) 最大值 有甚麼變化？試草繪 轉速改變後的電流與時間關係線圖。 (i) 頻率增加至原來的兩倍 （即 50 Hz）。 (ii) 最大值會增大 （∵ 線圈加快切割 磁力線。）

簡單直流發電機 c 以換向器取代匯電環  交流發電機  直流發電機

線圈每當經過垂直位置： 換向器就改變線圈與線圈外電路的連接方向  外電路的電流總是 以同一方向流動

圖中顯示線圈轉動一周時電流的變化。 電流的大小不斷改變，但方向始終不變 ∴ 直流電 線圈每轉動一周  電流會經過兩個週期 的改變 ∴ 直流電 線圈每轉動一周  電流會經過兩個週期 的改變 簡單直流發電機 模擬程式 5.4

注意： A B AB 的電流??

實用發電機 單車發電機： 有一捆套在 C 形軟鐵心上的線圈 有一塊可轉動的永久磁鐵  電路不必透過移動觸頭來連接 d i 單車發電機 單車發電機： 有一捆套在 C 形軟鐵心上的線圈 有一塊可轉動的永久磁鐵  電路不必透過移動觸頭來連接 磁鐵轉動時產生感生交流電，使單車頭燈發亮

實用交流發電機一般內置可轉動的電磁鐵（稱為 轉子），以產生變化不定的磁場。 ii 交流發電機 實用交流發電機一般內置可轉動的電磁鐵（稱為 轉子），以產生變化不定的磁場。 轉子的外圍則放置幾組固定的線圈（稱為定子）。

交流發電機的內部結構： 在定子感生的強大電流會經固定的連接線路流到負荷  減少產生火花  減少產生火花 交流發電機的內部結構： 轉子的場線圈通電後，換向器和碳電刷只會有相對較小的電流通過。 轉子安裝在定子之內  要轉動轉子，只須對它 施加一個很小的力矩

發電站的巨型交流發電機： 用來發電 由蒸汽渦輪機推動，動力 來源可以是化石燃料或 核反應堆 所產生的交流電會經由 市電的電路到達用戶

進度評估 5 1 (a) 交流發電機內的線圈每轉動多少周，電流 便換向一次？ 半周 (b) 直流發電機內的線圈每轉動一周，電流便 出現多少個峯值？ 2

進度評估 5 1 (c) 求發電機的線圈轉動一周的時間。 據此，找出它的頻率。 交流發電機的電流 每轉動半周，便換 向一次。 交流發電機的電流 每轉動半周，便換 向一次。 ∴ 線圈用 0.1 s 轉動 1 周。 線圖顯示簡單交流發電機所產生的電流，怎樣隨時間變化： 頻率 = 1 T 1 0.1 = = 10 Hz

進度評估 5 1 (c) 求發電機的線圈轉動一周的時間。 據此，找出它的頻率。 線圈每轉動一周， 直流發電機的電流 會經過兩個週期的 改變。 線圈每轉動一周， 直流發電機的電流 會經過兩個週期的 改變。 ∴ 線圈用 0.1 s 轉動 1 周。 線圖顯示簡單直流發電機所產生的電流，怎樣隨時間變化： 頻率 = 1 T 1 0.1 = = 10 Hz

教育電視：發電機

2 渦電流

在線圈頂部插入鋁環，再把線圈連接到直流電源。 2 開啟電源，觀察鋁環的反應。 渦電流 實 驗 5e 1 把 1100 匝的線圈放在鐵支架底部。 在線圈頂部插入鋁環，再把線圈連接到直流電源。 2 開啟電源，觀察鋁環的反應。

3 改用一個有開口的鋁環，重複步驟 2。 4 以交流電源取代直流電源，重複步驟 2 至 3。

5 把一塊鋁片懸起，確保 它可以沿支點自由搖擺。 把鋁片置於一對平板形 磁鐵之間。 5 把一塊鋁片懸起，確保 它可以沿支點自由搖擺。 把鋁片置於一對平板形 磁鐵之間。 6 把鋁片拉到一側，然後 放開，觀察鋁片的運動。 以有縫的鋁片重複實驗。 實驗 5e - 渦電流 錄像片段 5.7

(p.261)

金屬在磁場中移動或置於變化的磁場時，感生電動勢便會產生。  在金屬之內形成不斷循環流動的感生電流（渦電 流）

實驗 5e 中，鋁環會在直流電源接通的一刻彈起，這個現象可以用渦電流來解釋。 ① 電源接通時，通過鋁環的磁場增強。 ② 這個變化使鋁環感生出渦電流。 ③ 渦電流產生的磁場，與線圈那個 正在增強的磁場抗衡。 ④ 鋁環被推向上。

線圈產生變化不定的磁場時，鋁環才會感生出渦電流。 ∴ 接通直流電源一段時間後，鋁環便掉回線圈 頂部。 若改用交流電源，鋁環便可以一直懸浮在半空。

實驗 5e 中，鋁片的擺動方式也可以用類似的原因解釋。 ① 鋁片靠近磁鐵  通過鋁片的磁場增強 ② 這個變化使鋁片感生出 渦電流，渦電流的流動 方向會阻礙鋁片的運動  產生制動力，迅速 遏止鋁片擺動

磁場

渦電流通常都選取低電阻的路徑  即使感生電動勢很小，電流也可以很大 渦電流通常都選取低電阻的路徑  即使感生電動勢很小，電流也可以很大 渦電流能產生熱效應和磁效應 可以應用於日常生活，但有時卻會帶來不便

(p.262) 錄像片段

渦電流的實際應用 電磁爐 電磁爐內有多組高頻交流電通過的線圈  產生高速變化的磁場  磁場在金屬鍋子感生強大的渦 電流 a 電磁爐內有多組高頻交流電通過的線圈  產生高速變化的磁場  磁場在金屬鍋子感生強大的渦 電流  電流的熱效應導致 鍋子變熱 電磁爐 錄像片段 5.8

渦電流的實際應用 渦電流制動器 b 渦電流制動器可以用來剎停高速移動的導電物體，例如過山車和高速列車。 用於過山車 用於高速列車

渦電流的實際應用 渦電流制動器 制動器安裝了一組強力磁鐵。導電物體經過時，就像在磁極間擺動的鋁片一樣 物體移動得愈快，制動力便愈大 b 制動器安裝了一組強力磁鐵。導電物體經過時，就像在磁極間擺動的鋁片一樣 物體移動得愈快，制動力便愈大 制動器與物體之間沒有直接接觸  可減少噪音和機械損耗

渦電流的實際應用 感應爐 感應爐 熔化金屬的機器 爐內有一個坩堝，外圍繞了 一匝匝線圈。交流電通過線 圈時，產生高速變化的磁場。 c 感應爐 熔化金屬的機器 爐內有一個坩堝，外圍繞了 一匝匝線圈。交流電通過線 圈時，產生高速變化的磁場。  在坩堝內的金屬感生 渦電流  金屬受熱熔化

渦電流的實際應用 感應爐 改變交流電的大小，便可準確調節加熱的温度。 用這種方法熔化金屬，既清潔又具能源效益。 沒有物質燃燒 c 改變交流電的大小，便可準確調節加熱的温度。 用這種方法熔化金屬，既清潔又具能源效益。 沒有物質燃燒  不會產生灰塵和污染物

電磁感應的其他應用例子 a 動圈式微音器 由一捆與膜片相連的小線圈，以及圓柱形的永久磁鐵組成 線圈可在磁鐵內自由上下運動。

電磁感應的其他應用例子 動圈式微音器 對着微音器唱歌或說話  膜片就會隨聲波振動  帶動線圈在磁鐵兩極之間上下移動  產生感生交流電 a 動圈式微音器 對着微音器唱歌或說話  膜片就會隨聲波振動  帶動線圈在磁鐵兩極之間上下移動  產生感生交流電

電磁感應的其他應用例子 a 動圈式微音器 感生交流電： 隨着聲波的頻率和振幅而變化 可用揚聲器放大，並還原為聲音

電磁感應的其他應用例子 數碼筆 數碼筆： 一種電腦的輸入裝置，可以 記錄字跡和筆觸 配合接駁電腦的感應板使用 b 數碼筆 數碼筆： 一種電腦的輸入裝置，可以 記錄字跡和筆觸 配合接駁電腦的感應板使用 某些款式的數碼筆無須接駁 電源，僅靠電磁感應來運作 起 點

電磁感應的其他應用例子 b 數碼筆 靠電磁感應來運作的數碼筆： 感應板的線圈會產生變化磁場  在數碼筆的線圈內感生出一道弱電流 起 點

電磁感應的其他應用例子 數碼筆 靠電磁感應來運作的數碼筆：  感應板的線圈還可以探測上述弱電流所產生的 弱磁場 b 數碼筆 靠電磁感應來運作的數碼筆：  感應板的線圈還可以探測上述弱電流所產生的 弱磁場  找出筆尖在感應板上 的 位置，並把資料 傳送到電腦 起 點

電磁感應的其他應用例子 c 電腦硬碟 電腦硬碟由數片可旋轉的磁碟組成。 每片的表面都有一層薄薄的磁性微粒 微粒的作用像許多細小的磁鐵一般

電磁感應的其他應用例子 c 電腦硬碟 讀寫磁頭： 在磁碟間以平行磁碟的方向移動 每一面都有個讀寫磁頭 是個小軟鐵心，上面繞了線圈

電磁感應的其他應用例子 電腦硬碟 寫入資料： 把資料轉換成交流電訊號 c 電腦硬碟 寫入資料： 把資料轉換成交流電訊號  磁碟經過磁頭時， 交流電訊號會磁化 磁碟上的微粒，令 它們按照特定方式 排列  資料以「磁」的形式 記錄下來

電磁感應的其他應用例子 c 電腦硬碟 讀取資料： 磁碟經過磁頭時，磁性微粒的磁場會使磁頭感生出交流電  交流電訊號轉換為 原來的資料

進度評估 6 1 各圖中的薄片大小相同，而且都可自由擺動。若把這些薄片拉至相同的高度後釋放，哪一塊會最先停下？ A B C D

進度評估 6 2 是非題： 電磁爐啟動後，置於上方的鋁片便會變熱。 對 / 錯 - 完 - 60

文章

T 概念重温 (p.271) HKAL 2000 Q7(b)(ii) 感生電動勢的量值與通過線圈的磁場變化率成正比。如果交變磁場的頻率降低，磁場變化率及感生電動勢也會減小。 63

HKCEE 2012 P.1A Q32 F 導線形成完整電路時，才會產生感生電流。 64

T 65

T 66

F 轉動使線圈的磁通量發生變化。 根據楞次定律，感生電流會與轉動抗衡。 因此，即使沒有摩擦力，仍需提供能量以保持線圈轉動。 此外，假如不須提供能量就能產生電流，便違反了能量守恆定律。 67

習題與思考 5.3 XX/04/2016 交

完