請問大家有看過這個機具嗎？ 我們來看看這段影片 可以發現它是為了搬動大型金屬 或者大量瑣碎垃圾的機具 但是也可以發現 它沒有我們常見的鐵爪或者怪手的裝置 甚至沒有固定的外型 那它是怎麼做到將重物固定與移動？ 大家也一定可以發現 它移動的物體是鐵製的物品 也就是說 能夠不接觸就可以吸引起物體的超距力 且與鐵有關的 莫過於「磁力」囉！ 沒錯 就是利用磁力來移動與固定鐵製的重物與瑣碎垃圾的 電磁起重機 我們在前面章節曾經學過 在導線上通以電流 可以產生穩定的磁場 並且討論了載流長直導線與載流圓形導線的磁場 載流長直導線產生的磁力線 是以導線為圓心之同心圓 磁場方向則可以利用安培右手定則來判斷 電流為大拇指豎直方向 磁場方向為右手彎曲四指方向 而距離導線R處之磁場B 等於2πR分之μ0I 載流圓形導線的磁場方向 一樣利用安培右手定則判斷 電流為右手彎曲四指 磁場為大拇指豎直方向 中心磁場大小為μ0I除以2R 中心上方P點磁場大小 如畫面所示 從這裡可以發現 大區域穩定的磁場 是以上兩種方式無法做到的 為了實驗與生活實際上的應用 科學家開始設法想要產生較大區域的穩定磁場 在載流圓形導線的影片中 我們曾經提及亥姆霍茲線圈 可以在兩線圈中間區域產生局部穩定磁場 但是這樣的範圍遠遠不夠使用 若放大圓形線圈的半徑 又會降低磁場的大小 再增加電流的話 則會造成導線過熱融化 那該如何讓穩定的磁場範圍變大呢？ 若兩個載流環形線圈可以疊加局部穩定的磁場 那三個呢？四個呢？ 於是科學家把數個圓形線圈疊加並串聯 形成了載流螺線管線圈 我們先從載流螺線管線圈的磁力線分布來看 利用鐵粉所呈現的磁力線分布圖 可以發現 中間的磁力線分布較為均勻 代表著具有均勻的磁場 而管口與螺線管外部較為稀疏 代表磁場較為薄弱 單純利用鐵粉 並無法瞭解磁力線的方向 可以配合之前所學習的安培右手定則 即右手的四指代表電流方向 大拇指即為內部磁場方向 而磁場的方向為指南針N極的受力方向 如此一來 就可畫出載流螺線管的磁力線分布情形 那我們來思考一下 如何改變螺線管的內部磁場？ 如同前面的載流導線所形成的類似 螺線管的內部磁場 會因為所通以的電流大小而改變 當電流越大 內部磁場也會越大 可以表示為B正比於I 那磁場大小與線圈數目（也稱作匝數）的關係為何呢？ 我們可以來觀察一下磁力線的變化 所謂的磁場 可以利用單位面積的磁力線數目表示 如果單純只是增加匝數 從畫面中可以發現 磁力線只有繼續延伸 單位面積通過的磁力線數目沒有改變 代表均勻的磁場沒有增強 只有擴大均勻磁場的區域 但是如果我們在相同的螺線管長度下 繼續疊加更多的線圈 那這些線圈所形成的磁力線 也會在螺線管內部繼續疊加 形成單位面積有更多的磁力線 也就是說 磁場強度正比於單位長度的匝數 因此可以表示為B正比於L分之N 其中大寫N代表總匝數 L為螺線管的長度 也可以寫成B正比於小寫的n 其中 小寫n即為單位長度螺線管的匝數 整合前面說過磁場與電流的關係 可以將螺線管內部磁場 表示為B正比於n乘以I 而其中的比例常數為真空磁導率μ0 因此螺線管內部磁場完整公式如畫面所示 利用載流螺線管提供穩定磁場 在現實生活中的應用很多 例如在醫療上常見的磁共振造影儀 還有「電磁鐵」 在螺線管內部放入鐵磁性物質 讓螺線管所提供之磁場增強 另外還有前面提到的電磁起重機、電鈴等 我們來看看電鈴是如何運作的吧 當電鈴被按下時 整個迴路就會通電 此時電磁鐵會產生磁性 進而吸引彈簧片 同時敲動鈴鐘 這時候卻因為彈簧片被吸引 進而造成短路 彈簧片就會因為回復力 恢復成原本的形狀 這時候整個迴路又會通電 又讓電磁鐵產生磁性 持續不斷的循環下去 使得小鎚不斷來往反覆敲擊鐘聲 形成電鈴的聲音 我們來思考一下這個問題 最後我們來統整一下學習到的內容 螺線管的內部磁力均勻 外部磁力微弱 利用「安培右手定則」可以判斷磁場方向 右手的四指代表電流方向 大拇指即為內部磁場方向 內部磁場大小B等於μ0nI 其中 n為單位長度之匝數 I則為電流 載流螺線管導線內部磁力均勻 通電產生磁場 斷電失去磁場 可以控制磁力有無 如：電磁起重機、電鈴 最後邀請你想想看 雖然螺線管可以產生較大區塊與較強的均勻磁場 那它的缺點是什麼呢？ 例如：將四驅車的馬達改裝 纏繞更多的線圈與增加通過的電流 但是否可以無止盡的增加？ 改裝後 可能會造成什麼問題呢？ 歡迎大家留言討論唷 bye bye