2013年9月4日

生活中的交流電磁鐵

作者/林宣安(任教長億高中)

日前筆者撰寫了有關「交流電磁鐵的迷思」一文,希望可以協助老師與學生澄清有關交流電的一些迷思概念。其實在現實生活中有關交流電磁鐵的應用不少,最早在1887 年特斯拉(Nikola Tesla,1856~1943,圖一) 就發明了最早的無電刷交流電感應馬達(brushless alternating current induction motor),並開啟了交流電傳輸的新紀元,但這些事情在中小學的自然課本中卻鮮少提及,讓孩子們失去了一些欣賞科學神奇與科學之美的機會。
圖一:特斯拉。(圖片來源:維基百科)

在此筆者設計了一些有關交流電磁鐵的簡單應用,希望可以在教學中增加一些的樂趣。

自製打氣機
一、所需器材

自製電磁鐵、自製簡易直交流電供應器、底片盒、氣球、單向閥、強力磁鐵、彈性黏膠、塑膠管〔註一〕

二、製作方法

1. 將底片盒裁下一半備用,可使氣室體積較小,增強壓縮氣體的效果。
2. 將氣球剪開以兩層包覆在底片盒開口處,中央再以彈性黏膠固定上強力磁鐵,如圖二。
圖二:在橡皮上黏貼一個強力磁鐵。(作者提供)

3. 在氣室(底片盒)底部及外圍鑽一圓孔,使其可以剛好塞入塑膠管,必要時可再利用彈性黏膠固定。
4. 裝上單向閥,底部的向外(出氣口),外圍的向內(進氣口),如圖三。
圖三:控制氣流方向的單向閥。(作者提供)

5. 在單向閥的出氣口裝上塑膠管,並將塑膠管另一頭放入裝水容器中。並將自製電磁鐵對著單向閥上的強力磁鐵,打氣機即完成(圖四)。
圖四:自製打氣機成品。(作者提供)

三、使用方法

1. 將通以(低壓)交流電的電磁鐵接近氣室,調整至適當距離,即可看到出氣口冒出氣泡。
2. 注意不要將磁鐵吸住,會變成無法震動,且通電時間不宜過長。
3. 因通以交流電的電磁鐵對磁鐵會產生吸引及排斥的現象,我們如果將磁鐵黏貼在氣球皮上,當交流電磁鐵接近時,磁鐵便會帶動氣球皮震動,加上單向閥控制氣體流向,便成了自製打氣機了。

(本實驗裝置僅供教學講解用,不宜實際用於水族箱或長時間通電使用。)

市售交流電打氣機
一般市售的這種簡易型的打氣機通常是兩個零件組成的(圖五),橡皮上還裝有一個磁鐵(圖六),若我們將打氣機的主體接近線圈(上面接上LED 燈), 可發現LED 燈亮了。若再以我們自製的交流電磁鐵接近,LED 燈一樣會發光(圖七),如此便驗證了打氣機的主體應該也是一個通有交流電的電磁鐵(會產生磁場變化的裝置)。

圖五:一般市售的簡易型打氣機(左),由兩個零件所組成(右),分別為打氣機的主體(電磁鐵)和打氣的橡皮。(作者提供)

圖六:比較市售與自製的打氣機,皆在打氣的橡皮上裝了一個磁鐵(虛線為對應零件)。(作者提供)

圖七:以打氣機(左)或一般電磁鐵(右)接上交流電並靠近線圈,都會使LED 燈發亮。(作者提供)


想一想:為什麼將通以交流電的電磁鐵接近線圈時會使上面的LED 燈發光?再仔細觀察,市售打氣機上是否也有類似單向閥的裝置(圖八)。

圖八:市售打氣機中的單向閥裝置(虛線為對應的自製打氣機零件)。(作者提供)
【更詳細的內容,請參閱第525期科學月刊】

註一:有關電磁鐵與簡易直交流電供應器的製作方式,請參閱:林宣安,《人類文明的推手》,台北市,國立臺灣科學教育館,2007 年。

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