2013年7月1日

交流電磁鐵的迷思

作者/林宣安(任教長億高中)

一般我們的教科書都只是著重在直流電的電磁鐵效應〔註一〕,卻較少討論交流電的影響,或許是不容易做實驗的緣故或是安全考量(一般交流電都是家用的110伏特電源,直接使用是非常危險的,絕對不建議!),但實際上市面上應用交流電磁鐵的商品卻是非常多的!甚至在許多學校段考也曾經出現過類似的題目:

1. 將電磁鐵放在小磁針的正東方,將電磁鐵通入家用交流電(60 Hz)之後,磁針N極如何偏轉?
(A)N 極向東偏轉 (B)N 極向西偏轉(C)不偏轉 (D)左右振動

2. 承上題,再將此通以交流電的電磁鐵接近小鐵釘,則小鐵釘會如何?
(A)被電磁鐵吸引 (B)被電磁鐵排斥(C)沒有反應 (D)快速振動

若只出現第1 題,還不致引起筆者後續研究的興趣,但兩題同時出現,答案就引起了學校許多老師的討論。

關於第2題,筆者就曾問過學生答題的原因,以下是學生曾出現過的答案。

1. 沒有反應(不吸引也不排斥)。
原因一:因為磁場雖然還是存在但被抵銷了。
原因二:因為沒有磁場了。
原因三:……

2. 會被吸引。
原因一:磁場還是存在,所以會吸引小鐵釘。
原因二:磁場一直互換,所以吸一下就會放開。
原因三:……

有很多學生回答的原因如下,「因為交流電產生的N極與S極的磁場相互『抵銷』,所以無法吸引小鐵釘。」這普遍出現在學生知道參考書答案之後的回答。但事實真的是如此嗎?我們暫且不明說答案,直接先以實驗觀察結果,再做歸納。

驗證答案
姑且先不問題目的答案為何,我們實際作了有關第1 題的實驗,來看看結果到底是怎樣。

一般我們自己製作的電磁鐵因為鐵芯材質的問題,容易產生磁滯效應,實驗效果不好,若直接利用消防電鈴裡的電磁鐵(圖一),產生的磁滯效應就小很多,而且只需拆卸無需自行製作,可節省許多時間,成本也不會增加太多。
圖一:市售的消防電鈴及其內部的電磁鐵。

將取出的電磁鐵其放在磁針的正東方(或正西方)約3~5公分處。利用自製的簡易直交流電供應器〔註二〕將電磁鐵通以6~12伏特的交流電,觀察磁針是否偏轉?

實驗的結果顯示(圖二),磁針的確如參考書所寫的答案「不偏轉」(也就是學生所回答的答案——1. 沒有反應),只是這樣選擇題的考試方式,無法得知學生的思考邏輯,往往可能因為答案矇對而產生了錯誤的概念,因此我們繼續安排了以下的實驗,引導學生更深入的思考。
圖二:電磁鐵通以交流電後,磁針沒有任何變化。
實驗引導後續探究
與其我們用文字來說明,對許多孩子來說,更需要的是實驗的操作。如何引導學生進一步的來思考有關交流電所產生的磁場問題?我們設計了以下的實驗教學策略提供老師們參考。

實驗一:跳舞的磁鐵
從剛剛的實驗我們知道,若磁針通以交流電對正東方的小磁針幾乎不會有任何影響,這是否代表了磁場消失了呢?如果再把通以交流電的電磁鐵接近強力磁鐵,會發生什麼事?老師可試著以提問的方式引導學生思考。

1. 若「電磁鐵的磁場真的消失」,磁鐵會產生什麼現象?
2. 若「電磁鐵的磁場並未消失」,又會產生什麼現象?

【實驗結果與分析】
將電磁鐵接上(低壓)交流電,一接近磁鐵,就看到磁鐵開始如跳舞般震動了起來。距離越近(不接觸),跳動越厲害,調整至適當的距離甚至可以使磁鐵開始繞圈圈跳舞(圖三)。
圖三:當通有交流電的電磁鐵靠近磁鐵時,因吸引、排斥使磁鐵開始跳舞。

以上的實驗結果便說明了雖然通以交流電的電磁鐵無法對(正東方)小磁針產生反應,但卻還是對一般的磁鐵有吸引及排斥的現象,如此便證明了磁場還是存在。但又為什麼磁鐵會「跳舞」呢?【更詳細的內容,請參閱第523期科學月刊】

註一:林宣安,〈與磁共舞〉、〈美麗同心圓〉、〈厄斯特的小磁針〉,《科學研習月刊》47卷第6 期,2008年。
註二: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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