小豪買了一台新的電動車

享受著開車安靜的舒適感

但他想著為何有電就可以讓車輪轉很快

使車子極速奔騰呢?

而汽車吹出來的冷氣讓他感到舒服

那吹出冷氣的風扇為何可以轉動呢?

甚至夏天我們常吹的電風扇

也是靠轉動才有風的產生

轉動的原理到底是什麼呢?

當氣體分子對器壁施力F

這個力有多大呢？

以前學過一塊磁鐵在周圍可以產生磁場

如果有另一個磁鐵靠近

那兩個磁鐵會相吸或排斥

原因是什麼呢?

沒錯，他們有受力

而且是彼此給對方一個力

那我們是不是可以想成一個有磁性的物體

在另一個物體的磁場中就會受力呢?

在前面單元我們有提過

科學家厄斯特發現載流導線旁邊如果放上磁針

則本身有磁性的磁針會受到磁力作用

而產生偏轉現象

這是因為載流導線在旁邊會產生磁場

如果把這個「有磁性的物體」

換成是載流導線

那是不是載流導線也會受到力呢?

答案是導線也會受到磁力的作用

載流導線在磁場中受力的現象

最早是由科學家安培所發現

他在1825年發表的論文中

明確說明載流導線在磁場中受力的關係

為了更深入的探究載流導線在磁場中受到的影響

我們就定性研究導線受力「方向」為何?

先假設一個情境：

有一導線長度為L

電流大小為I

由下向上流動

磁場大小為B

方向向上當磁場與電流夾角

為不同角度時會如何？

所以控制變因為

導線長度、電流大小、電流方向、磁場大小

則會有三種常見的情況：

第一種情況

電流方向與磁場方向平行時

有些書會把電流方向寫成導線方向

意思是一樣的

則導線不受力

第二種情況

電流方向與磁場方向垂直

則導線受到最大的力

而且受力方向

是和電流與磁場均垂直的穿出螢幕

最後一種情況

電流方向與磁場方向夾角為θ

則導線受力方向

和電流與磁場均垂直

由第2、3種情況可以發現導線不只會受力

而且受力方向也是相同

但是受到的力大小不同

除了磁場和電流角度之外

其他變因又對受力方向

有什麼樣的影響呢？

我們先來看導線長度的影響

此時的控制變因為

電流大小、電流方向

磁場大小、磁場與電流夾角

夾角以垂直為例

則實驗中發現不管載流導線長或短

在磁場內導線受力方向均一樣

再來我們探討電流方向的影響

此時的控制變因為

導線長度、電流大小

磁場大小、磁場與電流夾角

夾角同樣以垂直為例

則實驗中發現導線的受力大小相同

但是方向不同

我們看畫面

左邊導線受力是向螢幕內

而右邊導線受力方向是穿出螢幕

最後我們來探討通過磁場強度的影響

此時的控制變因為

導線長度、電流大小

電流方向、磁場與電流夾角

夾角同樣以垂直為例

實驗中發現磁場大小

並不會改變載流導線的受力方向

由以上的探究可以發現

只有電流方向與磁場夾角不同時

受力方向才會改變

與其它因素都沒有關係

而且載流導線受力方向

是和電流與磁場均垂直

而大姆指、四指與掌心方向恰好相互垂直

因此我們可以由實驗歸納出

找磁力方向的方法

稱為右手開掌定則

右手開掌定則

是將右手張開並伸直

四指併攏

電流方向是大姆指方向

磁場方向是四指方向

此時掌心的方向就是磁力方向

因此可以畫面上的導線受力是向上方

再來舉個例子

一導線帶有電流向右

受到向前的磁場

此時導線受力的方向是哪邊呢?

利用右手開掌定則

電流方向就是大姆指方向向右邊

磁場方向就是四指方向

因為掌心向上

所以磁力方向向上

如下圖所示

兩個磁鐵的正中間有一條載流導線

電流方向是流出螢幕

此時導線受力方向為何呢?

根據右手開掌定則

可以得到導線受力方向是向上

我們回到片頭

風扇為何通電流後就可以轉動呢

其實原理就是載流導線在磁場中會受力

在配合轉軸就會形成力矩讓線圈可以轉動

我們把此裝置稱為「電動機」

俗稱馬達

是一種將電能轉成力學能的裝置

如圖所示

線圈AB段有電流通過

磁場和電流垂直

因此利用右手開掌定則

可以知道此線段受到向上的力

同理

CD段受到向下的力

而BC與AD段因為電流與磁場平行

所以不受力

因此此兩力以軸線為轉軸旋轉

這就是電動機的原理

電扇、電動車輪子轉動、吹風機

洗衣機、電鑽、冷氣機等都利用電動機

甚至一台車內結構有超過十種電動機

可見電動機在日常生活應用很廣

我們今天學到了：

第1點若電流方向與磁場方向不平行

則載流導線在磁場中會受到磁力

第2點磁力方向可由「右手開掌定則」找出來

大姆指代表電流方向

四指代表磁場方向

掌心代表磁力方向

想一想

如果世界上沒有電動機

那你一天的生活會變怎麼樣呢?

歡迎留言分享你的想法

下次見囉，bye bye