你認為地面上最快的交通工具是什麼呢？ 交通工具行駛在地面或軌道時 會受到空氣阻力與摩擦力的影響 造成速度無法持續上升 想要打造最快的交通工具 就必須要解決這些問題！ 但目前沒有有效降低空氣阻力的辦法 既然如此就只好減少摩擦力的影響了！ 於是科學家想到將其抬升 就出現了「磁浮列車」 目前磁浮列車的最快紀錄 是由日本的JR磁浮列車所保持 極速可達到每小時603公里 磁浮列車顧名思義 「磁浮」代表利用磁場讓列車抬升 讓車體與地面或軌道沒有接觸 達到「漂浮」的目的 在理論上可以利用超導體的完全反磁現象 但由於超導體的環境條件嚴苛 需維持在大約-253℃的低溫環境下 所以大部分的磁浮列車 還是都採用電磁鐵的方式提供磁場 那磁浮列車、載流螺線管和電磁鐵的關係是什麼呢？ 在這之前我們先來複習一下之前曾經學過 可以提供均勻較大範圍的磁場裝置 載流螺線管 載流螺線管的內部磁場均勻 外部磁場微弱 而其內部磁場強度B 可以表示為B等於μ0nI 其中n為螺線管單位長度的匝數 I為通以電流的大小 而μ0則為真空磁導率 現在我們來看看這個畫面 大家在國中是否有看過這樣的裝置？ 在載流螺線管內加入鐵磁性物質 通電後即可產生磁場 但你想過為什麼要加入鐵磁性物質嗎？ 我們已經知道 螺線管內部為均勻的磁場 但外部磁場微弱 如果想要將內部磁場引導至外部 並加以利用的話 鐵磁性物質就是一個很好的材料 因為這樣的材料會被磁化 形成暫時性磁鐵 並且將內部磁場引導到外部 除此之外 實驗中發現這樣的裝置 也可以提升內部磁場的大小 咦？ 看到這邊你可能會想到 我們並沒有改變螺線管的單位長度匝數與電流 為什麼加入鐵磁性物質 就可以提升磁場大小呢？ 是不是有什麼物理量我們沒有考慮到？ 在載流螺線管的磁場公式B等於μ0nI中 μ0為真空磁導率 其中真空 代表材料會與產生磁場區域的環境相關聯 加入了鐵磁性物質後 就不再是真空或者純粹的空氣狀態 沒錯 在螺線管內部加入鐵磁性物質 之所以可以提升磁場強度 是因為改變了這區域的磁導率 並將磁場引導到外部利用 根據實驗 鐵磁性物質或其合金 例如：鐵的氧化物與錳、鋅進行合金 稱之為錳鋅鐵氧體 其磁導率會是真空磁導率的800倍以上 比起利用提升電流產生較大磁場的方法 大大節省能量並降低了危險 為什麼提升電流會有危險呢？ 雖然我們可以利用增加單位長度匝數與電流 來提升螺線管內部磁場強度 但是這兩種方法都會讓導線產生大量的熱能 增加電流會讓導線產生熱能 而在相同長度範圍內 繞上更多的線圈 會讓此範圍內瞬間產生更多的熱能 無法有效散失到環境中 這兩種方法都會讓螺線管瞬間產生過多熱能 而導致危險 有些實驗儀器或裝置 則會將線圈放置於液態氮中散熱 並降低導線電阻 但卻會讓儀器變得巨大且笨重 所以在內部加入鐵磁性物質 大大降低了過熱所產生危險 現在讓我們回到磁浮列車部分 磁浮列車分成相吸型與相斥型兩種 以相吸型為例 它是藉由磁鐵吸引力使車輛浮起來 車輛的兩側下部向導軌兩邊環抱 往內翻部分裝有磁力強大的電磁鐵 導軌底部設有鋼板 鋼板在上 電磁鐵在下 當電流流經線圈時 電磁鐵能產生磁力吸引鋼板 因而車輛被向上抬舉 當吸引力與車輛重力平衡 車輛就可懸浮在導軌上方的一定高度上 改變電流就可使懸浮的高度得到調整 德國Transrapid即是屬於此類型 稱做常導體磁浮列車 除此之外 電磁鐵可應用層面極廣 除了前段影片說過的電鈴 電磁起重機 MRI 還有常見的喇叭、電風扇、電磁鎖 以及最近話題性十足的電動車 也是電磁鐵的一個重大應用 在生活中 我們也常見到利用電磁鐵 將電能轉換成動能的裝置 即是我們常稱的電動機 俗稱為馬達 電動機可以粗分為直流電動機和交流電動機 直流電動機因為電流方向保持固定 所以在旋轉半圈後需要換向器的幫忙 讓馬達可以持續產生旋轉的力量 而交流電動機本身因為電流方向會持續交換的原因 所以可以不用換向器的存在 但是需要特殊設計 讓交流電的頻率與轉動的速度互相搭配 達到持續轉動的目的 歷史上 直流電與交流電雙方曾互相爭奪「標準化」的地位 最終因為特斯拉交流電動機的設計 讓交流電獲得普羅大眾的接受 進而到現在大家所看到的交流電傳輸與使用 請問下列哪一種方式 可以提升載流螺線管的內部磁場？ 這個單元我們學到了 載流螺線管可以提供局部穩定的磁場 根據公式B等於μ0nI 可以利用三種方式提升磁場 增加單位長度的匝數n 加大通過的電流大小I 改變螺線管內部材料 加入鐵磁性物質或其合金 例如：錳鋅鐵氧體 即提升磁導率μ 電磁鐵在生活中有廣泛的應用 例如：磁浮列車中的電磁鐵 MRI、電動機、喇叭、電風扇、電磁鎖 除了前面講到的內容外 大家還想到載流螺線管的磁場有什麼應用嗎？ 或者為什麼在厄斯特發現電流磁效應後 電與磁的發展急速躍升 你能想到是為什麼嗎？ 可以從磁場的控制方向去思考唷 下次見 Bye-bye~