國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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法拉第馬達

現代電動馬達的基礎--科學史上重要的實驗

器材:9伏特乾電池、大紙杯、漆包線、銅線、強力磁鐵、食鹽水

操作過程與現象:

  出生於1791年的英國科學家法拉第,只有小學畢業,但是在電磁學及電化學領域做出很多重要貢獻,尤其發現重要的電磁感應,促進了現代文明的發展。1821年法拉第進行的實驗,為現代馬達的發明建立了基礎,以下為這個實驗的翻版。

1.取長約一公尺細的漆包線(越細越好),以砂紙將漆包線兩端的漆磨掉,以便能導電。

2.漆包線一端接上電池,另一端則綁上一小段銅線(約3公分長,鋁線亦可),然後如同單擺的下垂懸掛,懸掛的漆包線長度建議30~50公分,如圖一。而底部的銅線懸空約5公分高,以便可以自由擺動。

3.將大紙杯置於底部,中央放置2或3顆強力磁鐵(可用雙面膠黏貼固定),並且與下垂的銅線之間保持些微間距,如圖二。注意:銅線的底部要略低於磁鐵。

4.將食鹽水加入紙杯中,高度要淹過強力磁鐵。然後將一小段漆包線(二端同樣要刮掉漆)黏貼在紙杯的杯緣,另一端接上電池。接線圖如圖三。

5.接上電池並通電之後,銅線就會繞著磁鐵一直旋轉喔!

觀賞實驗影片(0.69M)

原理:

  法拉第所進行的實驗,杯子中是放置水銀(汞),由於水銀具有毒性,本實驗以具有導電效果的食鹽水代替。

  銅線會繞著磁鐵旋轉的原理與「單極馬達(homopolar motors)」類似,銅線的運動是由電流流經銅線形成的感應磁場,與強力磁鐵的磁場的作用結果,因此銅線的旋轉方向與電流、磁鐵的方向都有關。如右圖,利用右手開掌定則,右手的拇指為銅線的電流方向(黑色箭頭),其他四指為強力磁鐵的磁場方向(綠色箭頭),掌心的方向就是銅線的運動方向(紅色箭頭)。

叮嚀的話:

1.食鹽水的濃度會影響導電的效果,建議使用飽和食鹽水。亦即將過量的食鹽加入水中,攪拌之後仍有部分食鹽沒有溶解,倒出上層澄清的食鹽水即為飽和食鹽水。

2.使用的銅線避免過長,以避免因為太重而不容易運動。

3.通常必須使用9伏特的乾電池,電壓太低不容易使銅線轉動起來。

4.在教學上,建議可以指導學生觀察與討論以下問題:(1)觀察並記錄電池的正負極、強力磁鐵的磁極方向,以及銅線的轉動方向有何關係?(2)討論本實驗的結果與「單極馬達」的原理是否相同?結果一樣嗎?(3)由於使用食鹽水且通電,實驗現象與「電解」有關聯性,因此指導國中以上學生時,可以討論並觀察食鹽水的顏色有何變化?為什麼?而且將電池的正負極方向對調,銅片是變亮或變暗?為什麼?同時,浸泡於食鹽水的銅線或漆包線會冒泡嗎?為什麼?。

參考資料:

1.Magnet Labhttp://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/museum/faraday_motor.html

2.Thunderboltshttp://www.thunderbolts.info/tpod/2011/arch11/110510faraday.htm

3.You Tube影片:http://www.youtube.com/watch?v=R-Ma6iKLd7g