磁铁磁极检测—磁铁指南针、电磁秋千与直流马达

文/国中自然领域退休教师、拜耳公司科学志工科教顾问、大爱电视生活里的科学节目科学顾问、《认识科展第一本书》作者梅期光

(一)磁铁磁极检验-磁铁指南针

所需材料与工具:

  • 透明胶带台:可黏贴相关物件
  • 油性签字笔:可书写划记
  • 锥子:在塑胶免洗杯钻孔
  • 指南针:亦称磁针,检测地磁或磁铁磁极强度、方向与载流导线产生磁场强度、方向(磁场磁极强度可由磁针受磁场磁极作用产生偏转快慢情形判断,磁场磁极方向可由磁针N极指向决定,地磁N极由磁针S极指向决定,而磁铁S极由磁针N极指向决定。)
  • 尖嘴钳:弯折大型回纹针导电基座及细漆包铜线秋千
  • 美工刀:刮除漆包线绝缘胶膜(亦可用细砂纸替代)
  • 砂纸:磨除漆包铜线表面胶膜
  • 量角器:度量角度
  • 双面胶带:可黏贴相关物件
  • 10公分× 10公分塑胶基座板、氧化铁磁铁、细绵线、牙签,如图1所示

 

制作步骤:

  1. 用油性签字笔在10公分  ×  10公分塑胶基座板四边位置注记东、南、西、北方位。
  2. 观察操作位置太阳确定升起(东方)或落下(西方)的方位,再调整已注记东南西北方位的塑胶基座板对应太阳升起(东方)与落下(西方)的方位,如图6 所示。

3.将细绵线用透明胶带黏着在长方形氧化铁磁铁短边窄面端中间位置,再用透明胶带将牙签固定在短边窄面另一面的中间位置,如图7所示。(注意事项:细绵线与牙签固定位置尽量在磁铁短边窄面端的中间位置,以确定悬吊磁铁时磁铁能维持平衡状态!)

4.手持细绵线另一端将氧化铁磁铁悬挂在方位基座板中央位置,如图所示。(注意事项:将靠近磁铁周围的铁质器具或其它磁铁移开,以免因磁化或磁极作用影响磁铁因地磁影响的固定指向现象。)

 

现象观察与推理思考:

  1. 牙签指向北方一端为磁铁N 极,而指向南方的另一端则为S 极,用油性签字笔在指向N 极牙签位置画记,如图所示。

  2. 仔细比较牙签指向(磁铁N、S 极指向)与实际地理方位并未重叠,亦即地磁N、S 极与地理北、南极并非相同位置​​,如图10 所示。
  3. 如图所示,用量角器量出在你实验位置的地磁方向与地理方向的夹角为何?(注意事项:为讨论磁铁性质规定,若以磁铁指向地球北方的磁极称为N极,磁铁指向地球南方的磁极称为S极,但根据磁铁同极相斥、异极相吸的性质可知实际上靠近地球北极处的地磁磁极应为S极,而靠近地球南极处的地磁磁极应为N极。)

(二)奥斯特电流磁效应实验

所需材料与工具:

  • 透明胶带台:可黏贴相关物件
  • 油性签字笔:可书写划记
  • 锥子:在塑胶免洗杯钻孔
  • 指南针:亦称磁针,检测地磁或磁铁磁极强度、方向与载流导线产生磁场强度、方向(磁场磁极强度可由磁针受磁场磁极作用产生偏转快慢情形判断,磁场磁极方向可由磁针N极指向决定,地磁N极由磁针S极指向决定,而磁铁S极由磁针N极指向决定。)
  • 尖嘴钳:弯折大型回纹针导电基座及细漆包铜线秋千
  • 美工刀:刮除漆包线绝缘胶膜(亦可用细砂纸替代)
  • 砂纸:磨除漆包铜线表面胶膜
  • 量角器:度量角度
  • 双面胶带:可黏贴相关物件
  • 50 cc 透明塑胶免洗杯、漆包铜线、3 号电池,如图2 所示
    用锥子分别在两透明塑胶免洗杯杯口0.5 cm 及1 cm 两直径位置两端钻孔,如图12 所示。

    制作步骤:

  • 将两相同长度漆包铜线分别穿过两透明塑胶免洗杯小孔后用透明胶带固定,如图13 所示。
  • 用细砂纸将漆包铜线两端引线绝缘胶膜磨除。
  • 将磁针放置两透明塑胶免洗内,磁针放置为在漆包铜线上及在漆包铜线下,调整磁针的固定指向与漆包铜线呈平行状,如图14 所示。
  • 现象观察与推理思考:

    1. 磁针放置漆包铜线「上」方,将漆包铜线两引线分别标示「a、b」:「a」引线接电池正、「b」引线接电池负极,观察磁针的偏转情形(叙述磁针N的偏转方向),如图15所示。
  • 「b」引线接电池正、「a」引线接电池负极,观察磁针的偏转情形(叙述磁针N 的偏转方向),如图16 所示。
  • 磁针放置漆包铜线「下」方,将漆包铜线两引线分别标示「c、d」:「c」引线接电池正、「d」引线接电池负极,观察磁针的偏转情形(叙述磁针N的偏转方向),如图17所示。
  • 「d」引线接电池正、「c」引线接电池负极,观察磁针的偏转情形(叙述磁针N 的偏转方向),如图18 所示。
  • 分析两磁针的N 极偏转方向:磁针N 极的偏转应该受到磁场的作用,而磁场的产生与漆包铜线通入的电流有无、电流大小与电流流向有关。
  • 分析磁针N 极的偏转方向、电流的流向:你能归纳出以右手拇指表示电流、四指表示磁场,载流导线周围可产生顺四指指尖旋转方向的磁场的安培右手定则的关系吗?

(三)电磁秋千-外加磁场载流导线的受力现象

所需材料与工具:

  • 透明胶带台:可黏贴相关物件
  • 油性签字笔:可书写划记
  • 锥子:在塑胶免洗杯钻孔
  • 指南针:亦称磁针,检测地磁或磁铁磁极强度、方向与载流导线产生磁场强度、方向(磁场磁极强度可由磁针受磁场磁极作用产生偏转快慢情形判断,磁场磁极方向可由磁针N极指向决定,地磁N极由磁针S极指向决定,而磁铁S极由磁针N极指向决定。)
  • 尖嘴钳:弯折大型回纹针导电基座及细漆包铜线秋千
  • 美工刀:刮除漆包线绝缘胶膜(亦可用细砂纸替代)
  • 砂纸:磨除漆包铜线表面胶膜
  • 量角器:度量角度
  • 双面胶带:可黏贴相关物件
  • 500 cc 透明塑胶免洗杯、氧化铁磁铁、3 号电池、漆包铜线,如图3 所示

 

制作步骤:

  1. 用双面胶带将长方形磁铁N 极面朝上黏着固定在透明塑胶免洗杯底部,如图19 所示。

 

将细漆包铜线弯折成U 形后,放置在杯内磁铁上方约0.5 公分距离,再将漆包铜线两端弯折至塑胶免洗杯杯侧位置用透明胶带固定,如图20所示。

 

用砂纸将漆包线两端绝缘胶膜磨除,再将两引线标示「e、f」,如图21 所示。

 

现象观察与推理思考:

  1. 如图22 所示,「e」引线接电池正、「f」引线负极,观察磁铁上方漆包铜线的摆动情形为何?

 

如图23 所示,「f」引线接电池正、「e」引线负极,观察磁铁上方漆包铜线的摆动情形为何?

 

  1. 分析漆包铜线电流流向、磁铁面磁极与漆包铜线的摆动方向,你能归纳出判断漆包铜线电流流向、磁铁面磁极与漆包铜线的摆动方向关系的安培右手开掌定则的关系吗?
  2. 比较漆包铜线两端导线分别连接1 个3 号电池或2 个串联3 号电池后,你观察到漆包铜线的摆动情形有何变化?
  3. 承上,若是改变漆包铜线两端导线与电池连接位置后,你观察到漆包铜线的摆动情形有何变化?

     

    (四)直流马达-外加磁场载流圆形线圈的受力现象

    所需材料与工具:

    • 透明胶带台:可黏贴相关物件
    • 油性签字笔:可书写划记
    • 锥子:在塑胶免洗杯钻孔
    • 指南针:亦称磁针,检测地磁或磁铁磁极强度、方向与载流导线产生磁场强度、方向(磁场磁极强度可由磁针受磁场磁极作用产生偏转快慢情形判断,磁场磁极方向可由磁针N极指向决定,地磁N极由磁针S极指向决定,而磁铁S极由磁针N极指向决定。)
    • 尖嘴钳:弯折大型回纹针导电基座及细漆包铜线秋千
    • 美工刀:刮除漆包线绝缘胶膜(亦可用细砂纸替代)
    • 砂纸:磨除漆包铜线表面胶膜
    • 量角器:度量角度
    • 双面胶带:可黏贴相关物件
    • 10公分  ×  10公分塑胶基座板、氧化铁磁铁、大型回纹针、3.0 V的3号电池盒、3号电池、漆包铜线,如图4所示

    制作步骤:

    1. 用双面胶带将磁铁固定在塑胶基座板的前侧位置。
    2. 用尖嘴钳将大型回纹针弯折成如图示之回纹针导电基座,如图24 所示。

     

  4. 用透明胶带将两支回纹针导电基座黏着固定在磁铁边位置,如图25 所示。
  5. 将漆包铜线以适当大小圆柱缠绕成圆形线圈,再以铜线缠绕方式固定圆形线圈,如图26 所示。
  6. 将圆形线圈两引线放置回纹针导电基座上,将引线接触导电基座两侧各1 公分位置注记,如图27 所示。
  7. 用美工刀将注记漆包铜线一端刮除部分绝缘胶膜,而另一端用细砂纸将注记漆包铜线绝缘胶膜刮除完全刮除,如图28 所示。
  8. 调整圆形线圈与基座板上磁铁的距离约0.5 公分,将3 号电池置入电池盒后,两端导线分别固定在回纹针导电基座上,如图29 所示。
  9. 现象观察与推理思考:

    1. 开启电池盒电源后,观察放置在回纹针基座圆形线圈的转动情形,如图30 所示。

     

  10. 圆形线圈两引线的绝缘胶膜为何一端要完全刮除,而另一端刮除只要部分刮除,如此操作的目的为何?
  11. 接通电源瞬间,当观察到圆形线圈产生转动现象时,你能说明此时圆形线圈产生磁极与基座板磁极的性质关系吗?
  12. 承3. 改变电池接线位置,还能观察到圆形线圈产生转动吗?你能说明流经圆形线圈的电流所产生磁场与基座板磁极的性质关系吗?

     

学习磁铁磁极检测与电磁秋千有关科学原理

  1. 地球磁场与磁极:目前以地球转动地球内部熔融物质或地球内部的剧烈对流效应所产生可使磁针指向固定,地磁南北极(磁轴)与地理南北极(地轴)并不重叠,且地磁北极与地理北极相距约1800公里。
  2. 磁铁磁极的超距作用:指磁极同极(N、N,S、S)相排斥、异极(N、S)相吸引的磁力超距作用。
  3. 奥斯特实验:丹麦科学家奥斯特发现通电流导线周围的磁针会产生偏转现象,此实验证明电流可以产生磁场,开启了电与磁研究的全新认识。
  4. 电流磁效应:指电流产生磁场的现象,利用电流磁效应可制作电磁铁装置。
  5. 安培右手定则:可判断通电流长直导线或圆形线圈(或螺线管)产生磁场N磁极方向的辨识方式。(1)长直导线:拇指是电流方向、顺四指旋转方向是磁场方向、四指指尖是磁极N极。(2)圆形线圈(或螺线管):顺四指旋转方向是电流方向、拇指方向磁场、拇指指尖是磁极N极。
  6. 载流导线在磁场中的受力现象:根据电流磁效应载流导线周围可产生磁场,当载流导线周围有外加磁场时,载流导线周围产生磁场会与外加磁场产生同极相斥或异极相吸的磁力作用。
  7. 安培右手开掌定则:可判断通电流长直导线在外加磁场中受力方向的辨识方式,即拇指是电流方向、平伸四指指向是磁场方向、掌心方向是受力方向。

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