線圈方向改變引起應電流

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Transcript 線圈方向改變引起應電流

一、前言
二、法拉第的電磁感應實驗
三、感應電動勢
四、磁通量
五、冷次定律(Lenz's law)
六、動生電動勢
七、法拉第電磁感應定律
範例1 範例2 範例3 範例4 範例5 範例6 範例7 範例8
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一、前言
自從厄斯特發表了電流會影響它附近磁針的實
驗,鼓勵了當時的物理學家去尋找另一個相反問題
的答案:磁場是否可以產生電流?早在 1821 年,法
拉第(Michael Faraday,英國人,1791~1867)在他
的筆記上記載著這樣一個問題,經過 11 年的努力,
法拉第在 1831年發表了以他為名的電磁感應定律。
本章我們即將學習的發電機原理、變壓器、電磁波,
都源自於此定律。
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二、法拉第的電磁感應實驗
1. 實驗一:磁棒與線圈相對運動引起應電流
步驟一
磁鐵棒與線圈皆靜止時,
線圈無電流(檢流計 G
的指針停在刻度盤的中
央零點 O )。
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步驟二
將磁鐵棒的 N 極以速
率 v 移近線圈時,線圈
上有了電流(檢流計 G
的指針偏向一邊)。
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步驟三
反之,將磁鐵棒的 N
極以速率 v 移離線圈時,
指針隨即向零點的另一
方偏轉,可知線圈上又
有電流流過,但其方向
與步驟二的方向相反。
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步驟四
若使磁鐵棒靜止不動,
將線圈以速率 v 移近磁
鐵棒,即可發現檢流計
G 的指針偏向一邊,顯
示線圈上有了電流。
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推論:
當磁棒和線圈有相對運動時,線圈上便產生了應電
流,此電流的方向,並不因究竟是磁棒運動抑或是
線圈運動而有所區別,只和磁棒與線圈相對運動的
方向有關,若磁棒與線圈無相對運動,不論磁場多
強,都不能產生應電流。
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步驟五
反之,將線圈以速率 v
移離磁鐵棒,指針隨即
向零點的另一方偏轉,
可知線圈上又有電流流
過,但其方向與步驟四
的方向相反。
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2. 實驗二:磁場改變引起應電流
步驟一
有兩個同軸線相互面對
的線圈,左邊的線圈連
接一檢流計,檢流計的
指針靜止於刻度盤的中
點 O,此線圈右邊面對
的線圈,線路上接有電
池、電阻和開關 S。
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步驟二
若將開關 S 接通,當右
線圈在接通的瞬間,其
電流由零上升,產生由
小變大的磁場,檢流計
G 的指針亦隨之偏轉。
※右線圈的電流及其所生磁場瞬間即達到一定值,
檢流計 G 的指針旋即回復至中央零點的位置。
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步驟三
承步驟二,若此時又將
開關 S 打開,則在開關
打開的瞬間,右線圈的
電流由最大值降至零,
磁場隨之消失,檢流計
G 的指針也做瞬時偏轉
後,隨即回到刻度盤的
中點O,但其偏轉方向
與步驟二把 S 接通時相
反。
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推論:
線圈上應電流的產生,並不需兩線圈間有真正的相對
運動,只需線圈內的磁場有變動時,線圈上即會有應
電流產生。
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1. 實驗三:面積改變引起應電流
步驟一
若使細金屬棒在線圈上
向左方滑動(此時封閉
線路所圍成的面積變
小),檢流計的指針即
會由中央 O 點向一側
偏轉,顯示封閉線路內
有應電流的產生。
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步驟二
若將細金屬棒改向右方
滑動,則發現檢流計的
指針會向另一側偏轉,
顯示封閉線路內的應電
流方向與步驟一的相反。
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推論:
應電流的產生,並不需由磁場通過的線圈內的磁場之
改變所引起,只需線圈的面積有所變動時,線圈上即
會有應電流發生。
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4. 實驗四:切割磁力線引起應電流
步驟一
1. 若將此線圈沿水平方向從磁
場中向左抽出時(此時線圈
的右邊導線好比開始切割磁
力線,使線圈內有磁力線通
過的面積變小),檢流計的
指針即會由中央 O 點向一
側偏轉,顯示線圈內有應電
流的產生,而且應電流的量
值與線圈的移動速率成正比。
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2. 當線圈面被完全從磁場
中抽出時(此時線圈不
再切割磁力線,因此線
圈內有磁力線通過的面
積為零),檢流計的指
針又重新回復至中央點
O。
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步驟二
1. 若將已被完全從磁場中
抽出的線圈,再沿水平
方向向右插入磁場中時
(此時線圈又再開始切割
磁力線,使圈內有磁力
線通過的面積變大),則
見檢流計的指針又會由
中央 O 點向另一側偏轉,
顯示線圈內有應電流產
生,且方向與步驟一相
反。
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2. 當線圈四邊完全包住磁
場時(此時線圈右邊的
導線不再切割磁力線,
因此圈內有磁力線通過
的面積不再改變),檢
流計的指針又重新回到
中央點,直到線圈的左
邊導線又進入磁力線區
域,開始再切割磁力線,
線圈內的應電流又重新
產生,但方向與線圈面
剛開始進入磁力線區域
時相反。
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推論:
當線圈內有部分導線切割磁力線,使圈內有磁力線通
過的面積有所變動時,線圈上會產生應電流。
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5.實驗五:線圈方向改變引起應電流
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1. 如上頁圖所示,一連接有檢流計的線圈,置於一
鉛直方向的均勻磁場中,線圈的面積及磁場的大
小在實驗中均維持不變,但將線圈繞某一水平的
軸垂直轉動,我們可以改變線圈法線與磁場之間
的夾角θ。
2. 實驗結果顯示,當線圈轉動時,檢流計的指針會
偏轉,顯示線圈中有應電流的產生。
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推論:
因為線圈轉動時並不改變線圈的面積或磁場的量值,
因此應電流的產生必由線圈法線與磁場之間的夾角θ
隨時間改變而來。
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6. 法拉第的解釋
(1)法拉第在分析了各種電磁感應的實驗後,以磁力線
的概念,來解釋電磁感應的現象。
(2)在上述的五個實驗中,線圈並無連接電源,但當線
圈與磁場、細金屬棒與磁場之間有相對運動時,或
當線圈的面積、通過線圈的磁場、線圈法線與磁場
之間的夾角θ有變化時,均會使線圈中的磁力線數
目發生變化,而使線圈產生電流。
(3)當一封閉線圈內的磁力線數目發生變化時,就會產
生應電流。
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三、感應電動勢
1.在上述的五個實驗中,線圈中並無連接電源,
但當線圈中的磁力線數目發生變化時,線圈便
有電流流過。既有電流,則線圈中必有電動勢
存在。這電動勢顯然是由於線圈中的磁力線數
目發生變化而產生,並非靠外加電源,這樣產
生的電動勢稱為感應電動勢。
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2.應電流雖是由感應電動勢而生,但有感應電動勢,
卻未必有電流,例如一導線未形成一個封閉迴路,
則此導線兩端雖存有電動勢,但卻沒有電流。這情
形如同一個電池的兩極間雖有電動勢,但若不在其
兩極間連上導線使成為一封閉迴路,則電池的兩極
間未必會有電流通過。
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四、磁通量
1.通過線圈的磁力線總數稱為磁通量(magnetic flux)。
2.在右圖中,向量 A 代
表線圈面積向量,方
向在線圈面的法線方
向,量值為線圈的面
積。
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3.若磁場 B 與 A 有一夾角θ,則線圈中所通過的磁通量
定義為
  B  A  BA cos 
即磁通量乃線圈垂直於
磁場的有效面積 A cosθ
與磁場 B 的乘積。
 若 B 與 A 同方向時( 即磁場與線圈面垂直時) ,則
磁通量  BA cos 0  BA 。
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4.磁通量的SI制單位為韋伯(weber,記為Wb)
 1 韋伯  1 特斯拉 1 公尺2 。


5.   BA cos   B 
,即磁場 B 為單位
A cos 
A cos 
面積上的磁通量,故磁場 B 亦稱為磁通量密度。
6.感應電流的產生乃因封閉線圈中的磁力線數目發生
變化,換言之,當封閉線圈的 磁通量 發生改變時,
封閉線圈即可產生感應電流。
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五、冷次定律(Lenz's law)
1.冷次定律
(1)冷次定律的內容
一線圈的磁通量改變時,線圈內所產生感應電
動勢的方向,是欲使線圈所產生應電流之磁效應能
夠抗拒磁通量的改變,此定律稱為冷次定律。此判
斷應電流方向的定律,是在 1834 年由德裔俄國物
理學家冷次(Heinrich Friedrich Emil Lenz,1804~
1865)首先提出。
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(2)判斷應電流方向的方法
先以冷次定律判斷感應磁場的方向(抗拒磁通
量改變的方向),再以右手大拇指指向感應磁場的
方向,再將四個指頭自然彎曲,則四指彎曲的方向
即表示應電流的方向。
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2.冷次定律是能量守恆的必然結果
(1)如右圖所示,當
細金屬線 ad 受到
一個向左方的外
力 F 作用而向左
方移動時,迴路
abcd 會產生逆時
針方向流動的應
電流 i。
i
Fm
i
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(2)依據右手開掌定
則,此逆時針方
向的應電流 i,將
使 ad 在磁場 B 中
受到一個向右方
的磁力 Fm 作用,
以抵抗移動它的
外力 F,亦即應電
流的方向是欲抗
拒線圈磁通量的
增加。
i
Fm
i
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(3)假如所產生之應電流 i 的方向是順時針方向,則依
據右手開掌定則,此順時針方向的應電流 i,會使
ad 在磁場 B 中受到一個向左方的磁力 Fm 作用,
產生繼續向左方的加速移動。這不僅成了永恆運動,
而且因其速度愈來愈快,導線的動能逐漸增加,導
線移動的速度變快,也使線圈內的應電流增大,因
而增加了線圈內的磁場強度,這顯然違反了能量守
恆定律。故上頁圖中應電流的方向,只能是逆時針
方向。冷次定律是能量守恆的必然結果。
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六、動生電動勢
1.如右圖所示,一長度為 之導體棒
在垂直紙面向內的均勻強磁場中,
以速度 v 垂直磁場向右運動,導
體內之自由電子所受磁力的大小
Fm =
,方向
向下 。
evB
2.自由電子受磁力而移動,故 B 端堆積負電荷,A 端
堆積正電荷,形成一方向由 A 指向 B 的電場 E,故
導線中之自由電子所受電力的大小 Fe = eE ,方
向 向上 。
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3.導體內的自由電子同時受到電
力和磁力作用,兩者很快會達
成平衡,電荷便不再沿棒移動,
eE  evB  E 。
 vB
此時
4.如上圖所示,導體棒相當於一個電池,其上端為正
極,下端為負極,兩端的電位差即為感應電動勢
感應電動勢ε= E  vB 。
5.像這種由於導線切割磁力線所產生的感應電動勢,
稱為動生電動勢(motional electromotive force )。
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七、法拉第電磁感應定律
1.如右圖,U 形導線圈
水平靜置於一鉛垂方
向之均勻磁場 B 中,
導線圈上有一可滑動
的導線 ad,此滑動導
線與 U 形導線圈構成
一個封閉線圈 abcd,
設  為 bc 的長度。
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2.當導線 ad 以等速度 v
向右運動時(設 ad 在
Δt的時間內向右方移
動了Δx 的距離),由
於整個迴線只有 ad 在
切割磁力線,故整個
迴路之電動勢為:

A 
x
  vB    B  B 

t
t
t
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。
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x
A 
  vB    B  B 

t
t
t
3.由冷次定律知,應電流的方向是在產生一個新的磁通
量以阻止磁通量的變化,故感應電動勢應加負號

平均感應電動勢     t 。


d


瞬時感應電動勢   dt 。
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

平均感應電動勢    t 。

瞬時感應電動勢    d。

dt
4.由上式可知,通過線圈面的磁通量若隨時間改變時,
線圈即會產生感應電動勢,感應電動勢的量值等於
通過線圈面的磁通量之時變率,稱為法拉第電磁感
應定律(Faraday's law of electromagnetic induction),
也簡稱為法拉第定律,而且適用於任何形狀。
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

平均感應電動勢    t 。

瞬時感應電動勢    d。

dt
5.若有 N 匝線圈,則:

N
平均感應電動勢  
t 。


d

N
dt 。
瞬時感應電動勢  
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範例1
如右圖所示,設有一長
度為  的導線 ab,以 v
之固定速率在金屬軌道
上向右滑動,通過一垂
直紙面向內的均勻磁場
B。設電路 abcda 只有
cd 段有電阻 R,則在導
線 ab 通過此均勻磁場
之期間內,求:
(1)感應電動勢的大小。
(1) 感應電動勢   vB。
(2)感應電流的大小及方向。

vB
(2) 應電流的大小 i  
,由冷次定律可知,
R
R
電流方向沿逆時針方向。
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vB
i
R
(3)維持等速 v 所需外力的大小。
(3) 維持等速 v 所需外力
 磁力 F
i B
vB

 B
R
2 2
Bv

R
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(4) 外力所輸入的功率。
F
2
B 2v
R
(4) 外力所輸入的功率
P  Fv


2
2
Bv
v
R
2
B 2v 2
R
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(5)電路 abcda 所生熱功率。
(5) 電路所生熱功率
P

2
R
2
B 2v 2
R
外力所輸入的功率 P 
2
B 2v 2
R
 外力所輸入的功率
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範例2
一均勻磁場 B 垂直穿出紙
面,一長度為 的細金屬
棒平放在紙面上,並以速
度 v 垂直磁場運動,如右
圖所示,則此細金屬棒兩
端的感應電動勢為何?
如右圖所示,當導線運
動時,切割磁力線的有
效長度
有效
3
  cos30 
2
 感應電動勢  
vB
有效
3

vB
2
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範例3
一長方形金屬線圈,寬度為
、高度為 h、質量為 m。線
圈之上端在一均勻磁場區內,
磁場之量值為 B,方向為垂
直進入紙面。線圈受重力之
作用而向下運動,設線圈之
電阻為 R、在線圈之瞬
間速率為 v 時,試求:
【89日大】
(1)線圈內之感應電動勢ε的大小
及方向(註明方向是順時針或
是逆時針)。
 B  ( vt )
 vB,
(1) 感應電動勢大小  

t
t
由冷次定律可知,電流方向沿順時針方向。
※另解:因為整個線圈最上端長度為 ,只有  的部
分切割磁力線,故感應電動勢大小   vB。
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(2)線圈之電功率 P。
(2) 線圈之電功率 P 
2
R

2
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B 2v 2
。
R
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(3)線圈之瞬間加速度 a (朝下為正)。
(3)此時線圈所受的外力有兩個:
2 2 2
vBvB

B vB v
(向上
) )
磁力 Fm  i Bi B   B B 
(向上

RR

RR

重力W  mgmg
(向下
) )
(向下
2 2
Bv


mg 
F
R
 此時線圈的瞬間加速度 a 

m
m
2 2
Bv
g
(向下)
mR
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(4)在線圈上端未離開磁場區前,
此線圈之速率最後會趨近於一
定值 vT,求 vT。
(4)當線圈之速率趨近於一定值 vT
時(vT 稱為終端速度),線圈
的加速度為 0
2
B 2vT
a g
0
mR
mgR
 vT  2 2。
B
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範例4
一邊長為 0.20 公尺的正方形線圈,置於 0.50 特斯
拉的均勻磁場中。若旋轉線圈平面,以便在 0.040
秒內,由垂直於磁場轉變為平行於磁場,則在此
時段內,線圈上感應的平均電動勢為多少?
cos0
cos
0  0.5  (0.2)2  0.02(Wb)
原來的磁通量   BABA

cos90
  0 0
cos90
後來的磁通量    BABA
0  0.02


 0.5(V)
 感應電動勢   
0.04
t
範例5
有一邊長為 d 的正方形
線圈,線圈電阻為 R。
線圈內有一半的地方沒
有磁場,另一半則有均
勻但隨時間 t 而改變的
磁場 B(t) 。磁場與線圈
面垂直,方向為射出紙
面,如右圖所示。設
B(t) =ct,其中 c 為正
的常數。
【85日大】
(1)求線圈中應電流的大小。
2
d
(1)磁通量   BA  B 
2
d 2 cd 2
 ct 

t
2
2
d
cd 2
 感應電動勢  -
-
dt
2

2
cd
 應電流的大小 i 

R
2R
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(2)線圈所受磁力的方向為何?
(2)由冷次定律可得應電流
方向為順時針方向,又
由右手定則可得受力方
向向左。
(3)求線圈在 t 時刻所受磁力的量值。
cd 2
c 2 d 3t
 d  ct 
。
(3) 磁力大小 F  i B 
2R
2R
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範例6
在均勻磁場 B 中,有一長度為 的金屬棒,垂直
於磁場以角速度  旋轉。試求下列情況下,跨越
金屬棒兩端的電動勢。
(1)如下圖(a)所示,以棒的一端為旋轉軸。
(2)如下圖(b)所示,以棒的中心為旋轉軸。
(3)如下圖(c)所示,以距棒的一端 處為旋轉軸。
3
※解題觀念:
1.如下圖(a)所示,由右手開掌定則可知,當金屬棒以a端
為旋轉軸做順時針旋轉時,金屬棒中的自由電子因受磁
力作用而向 a 端移動,使得 a 端帶負電(為 低 電位),
而遠離旋轉軸的 b 端則帶正電(為 高 電位)。此時的感
應電動勢之方向如下圖(b)所示。
※電動勢的方
向是由低電
位(負極)
指向高電位
(正極)的
方向。
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2.如下圖(c)所示,若以 ab 間的任意點為旋轉軸時,由
於上半部和下半部在任意時刻,運動的方向皆 相反,
因此上、下兩部分所產生之感應電動勢的方向相反,
如下圖(d)所示。
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(1) 如右圖所示,以棒
的一端為旋轉軸。
(1)設金屬棒轉一圈的週期
為 T 秒,則感應電動勢
A B  

 B
 

t
t
T
B 

2

2
B

2
2
2
(a  b。
)
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※另解:
整根金屬棒都切割磁力線,
但棒上每一點的切線速率均
不相等,棒的中點之切線速
率即整根金屬棒的平均速率
vav,故感應電動勢
2
B

  v av B  (   ) B 
。
2
2
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(2)如右圖所示,以棒的
中心為旋轉軸。
B( )2
2
B


2 

=
Ob
段:
(O  b)
Ob

2
8



2
B

(
)
2

B

2 


(O  a )
Oa段: Oa
8
2

1
1
2
   B  B 2  0
8
8
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(3)如右圖所示,以距棒的

一端 處為旋轉軸。
3
2 2
B ( )
4

2
3
cb
段:

=

B

( c  b)
cb

2
18



2
B

(
)
2

B

3 
(c  a )
ca段:  ca 
2
18

4
1
2
   B  B 2  1 B 2 ( a  b)
18
18
6
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範例7
如右圖,導電圓盤以每分鐘
3000 轉做等速率轉動,圓盤
半徑 0.6公尺,整個圓盤處在
向右的均勻磁場 B= 0.2 特
斯拉,分別以電刷 P 與 Q 接
觸盤緣及軸,試求 P、Q 兩
電極的電位差為多少伏特。
【96台東高中】
(1)此圓盤可視為由許多根長為
0.6 公尺的金屬棒組合而成,
每一根金屬棒都以相同的角
速度轉動,因此所產生的感
應電動勢皆相等,等同於將
許多電池並聯,故圓盤中心
軸與邊緣之電位差與單一金
屬棒以一端為軸旋轉時產生
的感應電動勢相等。
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(2)由右手開掌定則可知,當金
屬棒以圖示的方向旋轉時,
金屬棒中的自由電子因受磁
力作用而向中心軸端移動,
使得中心軸帶負電(為低電
位),而邊緣則帶正電(為
高電位),故 P、Q 兩電極
的電位差為正值。
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(3)圓盤的角速度  3000 (rev / min)
3000

 2 (rad/s)
60
 100 (rad/s)
  PQ

B


t
2
2
0.2  100  (0.6) 2

2
 3.6≒11.3(V)
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範例8
一正方形線圈,邊長為 a、電
阻為 R,以等速 v 通過一與此
線圈面垂直的磁場區域。此區
域有兩部分,磁場之量值均為
B;左半邊磁場方向為進入紙面,
右半邊磁場方向為射出紙
面,如右圖所示,則下列敘述何者正確?(A)線圈剛進入磁
avB
場區域時,線圈內之電流量值為
(B)線圈剛進入磁場區
R
域時,線圈內之電流方向為順時針方向 (C)整個線圈都在
磁場區域內時,線圈內之感應電動勢量值為avB (D)整個線
圈都在磁場區域內時,線圈所受的磁力一直為0
有感應電動勢的時間長為 2a 。
v
(E)線圈內
【86日大】
(1)如右圖(a)所示,線圈剛進入
磁場時,線圈右邊導線兩端
的感應電動勢ε= avB,故
 avB

電流 i= R
,電流
R
方向為逆時針方向-----------(A)對、(B)錯 。
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(2)如右圖(b)所示,當整個
線圈都在磁場內時,線圈
右邊導線兩端的感應電動
勢 ε右= avB,線圈左邊
導線兩端的感應電動勢 ε
avB,兩者相當
左=
於 串聯 ,故總電動勢為ε
= 2avB
-------- (C)錯
。
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,
(3)承(2),感應電流 i=
 2avB
順時針

R
R
2
2

2avB
2a
vB
aB 
( 向左)
右邊導線所受的磁力 F右  i B 

R
R

2
2
2avB
2a
vB
左邊導線所受的磁力 F  i B 
aB 
( 向左)
左

R
R
4a 2vB 2
故所受合力 F  F右  F左 
(向左)
R
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F  F右  F
(D)錯
------。
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(4)線圈由剛進入磁場至剛離開磁場之期間內均有電
3a
動勢,其所經的距離為 3a ,故時間為 v
-----
-------- (E)錯 。
故選(A)。
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