4.3 磁場內的載電流導體

4.3 磁場內的載電流導體 電池車作用於載電流導體的力進度評估 5 進度評估 6 應用：電動機進度評估 7 應用：動圈式揚聲器進度評估 8 1 2 3 第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

電池車 • 把導線、乾電池和兩片強力磁鐵連接起來。 • 乾電池和磁鐵會像車子一樣向前滾動！ • 電池為甚麼會動起來？第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

1 作用於載電流導體的力 • 已知載電流導線會令指南針的磁針偏轉（有作用力存在）。 • 根據牛頓第三定律，磁鐵應會向載電流導線施以相反方向的作用力。 • 如果載電流導線可自由移動，而磁鐵固定不動，會有甚麼事情發生？作用於載電流導體的磁力實驗 4d 第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

1 作用於載電流導體的力 a 弗林明左手定則 • 把導線放在磁鐵的兩極之間︰ • 導線通電後，會有一道向上的力作用於導線。 • 如果電流或外加磁場其中一項的方向倒轉，導線就會向下移動。第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

a 弗林明左手定則 • 弗林明左手定則︰伸出左手的拇指、食指和中指，讓三者互相垂直。如果食指指向外加磁場 B 的方向，而中指指向電流 I 的方向，那麼，拇指指向的就是磁力 F 的方向。電子在磁場中的偏轉例題 7 第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

進度評估 5 – Q1 • 在向下的磁場中有一條載電流導線，電流指入書頁。 • 作用在導線上的磁力向着甚麼方向？ • A ↑ • C ← B ↓ D → 第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

進度評估 5 – Q2 • 導體 AB 接上電池組，並放在蹄形磁鐵的兩極之間。 • 指出作用於導電體 AB 的磁力的方向。 (b) (a) F • 沒有磁力作用於AB • （∵ 電流 // 磁場） • 磁力指出書頁第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

1 作用於載電流導體的力 b 影響磁力的因素電流對磁力的影響實驗 4e 第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

b 影響磁力的因素 磁場強度對磁力的影響實驗 4f 第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

b 影響磁力的因素 • 磁力可用以下方法增加： • • 增加電流 • • 增加在磁場中的導線長度 • • 增強磁場第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

b 影響磁力的因素 • FI（B和 l不變） ............ (1) • Fl（B和 I不變）............. (2) • FB（I和 l不變） ............ (3) • FBIl或 F= kBIl...... (4) • 其中 k是常數。 F= BIl • 設 k= 1，以電子秤量度作用力例題 8 第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

b 影響磁力的因素 • 如果電流 I 與磁場 B 並非互相垂直，便只有垂直於電流的磁場分量 (B sin  ) 才對磁力有影響。 • 作用於導線的磁力︰ F= (Bsin  ) Il F= BIlsin  第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

b 影響磁力的因素 • 只要把中指指向電流垂直於磁場的分量，便可用弗林明左手定則找出磁力的方向。 • 如果電流//磁場，sin  = 0 •  沒有磁力產生計算磁力例題 9 第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

b 影響磁力的因素 平行載電流導線的相互作用例題 10 第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

進度評估 6 – Q1 • 下圖為兩條平行的長直導線Y 和 Z 的截面︰ • 兩條導線均載有電流。試用箭頭表示作用於兩條導線的磁力。第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

進度評估 6 – Q2 3 A 電流流過 2 A 電流流過 (4 10–7)(2) 2(0.1) B = 0I 2r = • 參閱例題 10︰ • (a) 求在 X 位置由導線 Y 產生的磁場量值。 • = 4  10–6 T 第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

進度評估 6 – Q2 3 A 電流流過 2 A 電流流過 • 參閱例題 10︰ • (b) 求導線 X 每單位長度所受的磁力。 • = (4  10–6)(3)(1) • F= BIl • = 1.2  10–5 N（向右）第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

進度評估 6 – Q2 3 A 電流流過 2 A 電流流過 • 參閱例題 10︰ • (c) 哪一條牛頓定律也可解答 (b)？為甚麼？ • 牛頓第三定律。 • 兩個力是作用力—反作用力對。 •  量值相同但方向相反第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

c 載電流平行導線之間的磁力 • 和 F= BI2l • 結合公式 0I1I2l 2r F = B = 0I1 2r • 載電流平行導線之間產生的磁力為︰ • I1和 I2︰兩條導線中的電流 • l︰導線長度 • r︰導線之間的距離第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

c 載電流平行導線之間的磁力 • 如果電流方向相同，兩條載電流導線便互相吸引；如果電流方向相反，導線便互相排斥。 • 每一對力都是作用力─反作用力對。第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

c 載電流平行導線之間的磁力 0I1I2l 2r F = • 根據，電流的單位安培可定義為：在真空中，兩條無限長的幼直平行導線相距 1 米，通過兩者的電流是恆定且大小相等。如果電流在每米導線上產生的作用力是 2  10–7牛頓，則通過導線的電流為 1 安培。第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

2 應用：電動機 • 電動機可把電能轉換為動能 •  在很多電器中都可找到電動機第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

2 應用：電動機 a 線圈的轉動效應 • 矩形線圈放置在磁鐵的南北兩極之間。 • 電流流過線圈，線圈兩邊的電流方向相反。 • 根據弗林明左手定則，線圈的一邊被推向上，另一邊被推向下。 •  線圈轉動第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

a 線圈的轉動效應 • 線圈從水平開始，以順時針方向轉動。 • 線圈轉至垂直時，作用於線圈兩邊的磁力互相抵銷。 •  轉動效應消失 • 但線圈的慣性使線圈繼續轉動，通過垂直位置。第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

a 線圈的轉動效應 • 及後轉動效應的方向相反，又會把線圈拉回來。 • 結果，線圈擺動數次後就會在垂直位置停下來。 4.3 線圈的轉動效應模擬程式第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

2 應用：電動機 b 簡單直流電動機製作電動機模型實驗 4g 第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

b 簡單直流電動機 • 簡單直流電動機利用磁場對線圈的轉動效應來運作︰ • 電流經碳電刷進出線圈。 • 碳電刷給兩個彈簧輕輕壓在換向器上。 • 換向器固定在線圈上，隨線圈一起轉動。第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

b 簡單直流電動機 • 換向器令線圈能持續轉動。 • 每次線圈因慣性而衝過垂直位置時，換向器都交換接觸碳電刷。 • 電流進出線圈的方向相反，而線圈的磁力也轉向，線圈沿原來方向繼續轉動。 4.4 簡單直流電動機模擬程式例題 11 線圈的轉動第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

b 簡單直流電動機 電池車例題 12 第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

進度評估 7 – Q1 3 A 電流流過 2 A 電流流過 0I1I2l 2r (4 10–7)(3)(2)(1) 2(0.1) = F = • 參閱例題 10︰ • 直接使用以下方程式計算作用於每單位長度的導線 Y 的磁力：(0 = 4 10–7 T m A–1) = 1.2  10–5 N 第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

進度評估 7 – Q2 • 作用於導線 MN 和 OP 的磁力指向哪個方向？ MNOP A 向上向上 B 向下向下 C 向上向下 D 向下向上第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

進度評估 7 – Q3 • 線圈在磁場中轉動。下列哪幅圖正確顯示作用於線圈的磁力（以粗箭咀顯示）？ A B D 以上皆不是 C 第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

2 應用：電動機 c 影響線圈轉動的因素影響線圈轉動的因素實驗 4h 第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

c 影響線圈轉動的因素 • 載電流線圈的轉動效應可用以下方法加強： • • 增強電流 • • 增加線圈的匝數 • • 增大（在磁場中）線圈的面積 • • 增強磁場影響線圈轉動的因素例題 13 第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

2 應用：電動機 d 實用電動機 • 很多電動的機械及家用電器都安裝了電動機。 • 實用電動機的結構︰第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

d 實用電動機 • 電動機內有稱為電樞的軟鐵心，每組有獨立換向器。 •  轉動更平穩，轉動效應更強 • 磁鐵表面彎曲 •  線圈與磁場更長時間互相垂直 •  加強轉動效應第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

d 實用電動機 • 有些電動機以電磁鐵取代永久磁鐵。 •  可用交流電來驅動 • 交流電改變方向時，磁場的方向也相應改變。 • ∴ 電動機能沿同一個方向不停地轉動第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

3 應用：動圈式揚聲器 • 動圈式揚聲器內有一捆短線圈，短線圈可在圓柱形的永久磁鐵內自由移動。  電線 磁場電流方向 • 交流電通過線圈時，電流方向不斷前後改變 •  推動線圈來回運動 •  帶動紙盤振動而發出聲波 4.5 揚聲器的運作原理模擬程式例題 14 用電流天平測量磁場第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

進度評估 8 – Q1 • 實用電動機能平穩地轉動，是因為 • A 線圈匝數很多。 • B 線圈繞在軟鐵電樞上。 • C 電樞設有數組不同角度的線圈。 • D 使用電磁鐵代替永久磁鐵。第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

進度評估 8 – Q2 • 交流電動機和直流電動機的主要分別在於使用 • A 軟鐵心而非木心。 • B 數個線圈而非一個。 • C 多於一個換向器。 • D 電磁鐵而非永久磁鐵。第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

進度評估 8 – Q3 • 試建議四個提升電動機動力的方法。 • 增強電流 • 增加線圈的匝數 • 增加線圈的面積 • 增強磁場第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

完第 4 冊單元 4.3 磁場內的載電流導體

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