在前面的影片中我們已經知道 在什麼樣的情境會發生電磁感應現象 也認識了磁通量的意義 現在我們再更進一步討論 你是否注意到 在操作器材發生電磁感應現象時 操作的方式會有靠近或遠離 增強或減弱這類相反的操作 在這些操作下會有什麼影響呢？ 就讓我們來整理出規律吧 首先 我們先觀察法拉第電磁感應實驗當中 磁鐵與線圈間的相對運動 如畫面所示 當磁鐵S極離開線圈時 線圈上的應電流對應到的應磁場是向右 也就是彷彿產生一個N極在右邊的磁鐵 而這個假想的磁鐵會和遠離的磁鐵相互吸引 如果磁鐵反過來靠近線圈呢？ 沒錯 你會發現產生的應電流也會反過來 所對應的感應磁場也會相反 假想的磁鐵也跟著反過來 於是這個假想磁鐵會和靠近的磁鐵相互排斥 看到這裡 我們不難發現在這個例子當中 應該不只這兩種可能 如果移動的磁鐵N、S極換邊會怎麼樣呢？ 或是換成線圈來移動呢？ 由此可見 我們不可能將所有的情況列出後記起來 而是從幾個簡單的例子找出背後的規則 並應用在其他情境中 於是我們來分析剛剛示意動畫的物理機制 再套用到其他現象 我們先從結果來下個淺顯的結論 當磁鐵遠離線圈的時候 線圈產生的假想磁鐵 會吸引遠離中的磁鐵 反之 磁鐵靠近時會被假想磁鐵排斥 所以線圈造成的影響 就是抵抗磁鐵運動造成的變化 磁鐵離開時吸引它 靠近時排斥它 這就是各位國中時學到的冷次定律 然而在之前的影片中我們學到了 磁通量 如果我們用磁通量的變化 以及感應磁場的關係 將可以更明白冷次定律是如何運作 我們先簡單複習一下磁通量 磁通量定義為磁場向量與面積法向量的內積 前面例子中 磁鐵S極遠離線圈時 我們可這樣描述 向右通過線圈面的磁通量在減弱 而觀察到的結果是線圈吸引磁鐵 我們可以利用安培右手定則 判斷出線圈產生向右的感應磁場 反之 磁鐵S極靠近線圈時 向右通過線圈面的磁通量增強 而觀察到的結果 是線圈排斥磁鐵 同樣的用安培右手定則 可判斷線圈產生向左的感應磁場 綜合以上兩個可觀察到的結果 我們來做個統整 一、向右磁通量減弱 產生向右感應磁通量 二、向右磁通量增強 產生向左感應磁通量 可以得到 磁通量減弱則產生感應補回減少的部分 反之 如果增強則產生感應抵銷增強的部分 也就是感應出來的磁通量在抵抗變化 為了驗證這樣的推論 我們試著把磁鐵N、S極反過來觀察看看 如圖所示 當磁鐵遠離時 向左的磁通量減弱 依據剛剛的推論 磁通量減弱了 要產生感應磁通量補回減少的部分 於是產生向左的磁通量 用安培右手定則 就能判斷應電流方向 彷彿線圈產生一個 N在左、S在右的假想磁鐵 那這樣的磁極相對位置 對遠離中的磁鐵產生的是引力 還是斥力呢？ 沒錯 就是引力 磁鐵遠離了 吸引回來 這和大家國中學到的冷次定律就吻合囉 利用剛剛得到的推論 我們不只可以用來判斷 磁鐵與線圈相對運動產生的感應磁場 當然也可以判斷其他情境的電磁感應現象 讓我們一個一個來試試吧 如動畫所示 沒有接電源的甲封閉線圈 會因為旁邊的乙線圈突然接通 或突然斷路而產生感應電流 如果是突然接通乙電路 則甲線圈內的磁通量變化為 向右前方的磁通量增加 於是抵抗變化 則產生向左後的感應磁通量 再以安培右手定則 就可以判斷出感應電流的方向 反過來 如果是突然斷路 則是向右前方的磁通量突然減弱 消失不見 甲線圈抵抗變化 則將消失的磁通量補回來 於是產生向右前方的感應磁場 再以安培右手定則 判斷感應電流方向 而引力與斥力的方法 是否也可以判斷呢？ 我們來試看看 乙電路突然接通 彷彿有個假想磁鐵以S極端靠近甲線圈 於是甲線圈產生S極端靠近乙線圈的S極 於是兩者互斥 所對應到的感應電流 會和剛才的方法相同 以此類推 乙電路突然斷路 也可以請你自己練習看看唷 那最後我們再來嘗試 切割磁力線的電磁感應現象 如動畫 可看到封閉線圈向左移動進入磁場時 左端導線切割到向下的磁力線 則磁通量的變化為 向下的磁通量增加 為了要抵抗變化 則封閉線圈產生向上的感應磁通量 來抵銷增加 再用安培右手定則 判斷應電流方向 相反的 如果是封閉線圈向左移動離開磁場 則磁通量變化為 向下的磁通量減少 為了抵抗變化 於是將減少的磁通量補回來 產生向下的感應磁通量 再由安培右手定則 判斷應電流方向 我們經常可以看到老師上課時 使用一根金屬銅管來演示電磁感應現象 將強力磁鐵放入空心銅管後 明顯可以發現 強力磁鐵在銅管中緩慢落下 我們就以此示意圖來判斷應電流方向吧 從上往下看 甲處附近的感應電流是什麼方向呢？ 乙處附近的又是什麼方向呢？ 有了以上討論 回到開頭的問題 如果操作的方法反過來 產生的應電流方向也會跟著反過來 顯然應電流的方向並不是隨機 而是有跡可循的 我們可以利用冷次定律中 抵抗磁通量變化的方式 來判斷應電流方向 從上面的例子裡 我們可以把電磁感應的應電流方向判斷方法 整理成以下流程 一、先判斷磁通量的變化 二、抵抗磁通量變化產生感應磁通量 三、知道感應磁通量方向後 用右手安培定則判斷應電流方向 這樣你學會了嗎？ 在剛才討論的冷次定律中 我們發現 封閉迴路總是在抵抗磁通量的變化 你可曾想過 如果封閉迴路不是在抵抗磁通量變化 反而順應磁通量變化 那會發生什麼事呢？ 歡迎留言分享你的想法 下次見囉 bye bye