在上一個影片中

我們學到了交流發電機的工作原理

包含了裝置以及利用法拉第電磁感應定律

求出了量化關係

由於此發電機每轉半圈會改變一次電流方向

且電流大小與角度的關係

可以畫成正弦函數圖形

於是這樣的電流關係

我們稱之為「交流電」

而在上一個影片的最後問到

如果把交流電用在某些電器上

可能會有問題

比如說充電的時候

電流為正時是充電

電流變為負的時候反而是放電

於是在一個週期內

有時充電、有時放電

如此就無法達到我們想要的效果

所以我們需要將交流電變為直流電

那麼該怎麼做呢？

我們回想一下

交流發電機的電流是從哪裡流出來的呢？

沒錯

就是從圓形的集電環流出來的

所以我們可以朝這個方向著手

也就是說

封閉線圈以等角速度轉動的過程中

每轉半圈電流就會改變方向

那有沒有一種方法

就是當線圈電流換方向的同時

我們讓集電環也換一塊

那麼對外面的電器來說

電流其實就沒有換方向了

也就是說

原本電流對時間關係是正弦函數圖形

在改成兩個半圓形集電環後

會變成正弦函數圖形加上絕對值的關係

這麼說你可能沒辦法很清楚地瞭解

實際上兩塊半圓形集電環是如何運作的

接下來就讓我們來更詳細地說明吧

首先

一樣假設封閉線圈面積向量的法向量為A

而磁場向量為B

夾角0度開始

此時線圈面與磁場垂直

且兩個半圓形集電環

恰好都沒有觸碰到兩個電極

當封閉線圈逆時針等角速度轉動時

在0度到90度的範圍內

紅色集電環接觸a電極

而藍色集電環則接觸b電極

在這過程中我們注意到

磁通量是向右在減弱

於是根據冷次定律

產生的感應電流會由紅色集電環流出至a電極

我們繼續討論90度到180度

此過程仍然是紅色集電環接觸a電極

而磁通量則是向右增強

根據冷次定律

電流仍然由紅色電環流出至a電極

依此類推

在180度時與0度對稱

此時兩電極恰好未與集電環接觸

而在180度到270度的過程中

我們可以注意到

換成藍色集電環與a電極接觸

另一邊

則是紅色集電環與b電極接觸

而磁通量則向右減弱

根據冷次定律

應電流則由藍色集電環流出至a電極

所以應電流並沒有因為封閉線圈上的電流轉向

而使流出至電極的電流發生轉向

最後

當線圈轉動到270度至360度之間

藍色集電環仍持續與a電極接觸

在封閉線圈繼續轉動的過程中

磁通量向右增加

根據冷次定律

應電流仍然由藍色集電環流出至a電極

我們可以發現

在上列0度到360度的過程中

流出至外接電路的電流方向皆相同

然而

雖然電流的方向沒有發生改變

但電流的大小卻不固定

關於這點

我們可以利用法拉第的電磁感應定律來做量化分析

會更清楚

首先

我們先看磁通量對時間的關係

我們可以把封閉線圈面法向量與磁場夾角對時間的關係

寫成公式

所以在轉動一個週期的時間內

角度對時間關係如畫面所示

並且我們可以從法拉第電磁感應定律關係式

瞭解到瞬時感應電動勢在圖形上的幾何關係

是磁通量對時間關係圖中的切線斜率的負值

於是線圈上的感應電動勢對時間的關係圖

就可以整理成如畫面新圖表的關係

但因為我們已經將原本的圓形集電環

換成兩塊半圓形集電環

所以在集電環轉半圈的時候

不會發生電流方向改變

而是換一塊集電環

所以就像是將函數圖形加上絕對值一樣

我們來思考一下這個問題

將交流發電機中的圓形集電環

換成兩個半圓形集電環後

關於封閉線圈以及電極的關係描述

何者正確？

讓我們來總結一下這支影片的學習內容

由於電器使用需求

需要設計直流電的發電機

因此我們可以將上一段影片中的

交流發電機的圓形集電環

改造成兩塊半圓集電環

如此一來

在封閉線圈上產生的應電流

在改變方向的同時

與電極接觸的集電環也會換一塊

就能讓流至外接電路的電流方向固定

想一想

在現實生活中的直流發電機

雖然電流方向固定即可

但直流電的強度

是否也是這樣忽強忽弱的呢？

這樣忽強忽弱的直流電

對電器就沒有影響嗎？

歡迎在底下留言分享你的想法

我們下次見囉！

Bye bye