涡电流试验.DOC

渦電流實驗 eddy current 目的 觀察渦電流所引起的阻尼效應。 原理 經時變化的磁場中的導體上，因電磁感應產生渦狀的電流，稱為渦電流，由J. Foucault所發現。因渦電流所產生的Joule熱為電能的損失。例如變壓器上輸出端未接通時，仍然有能量損失，除了鐵心中的磁滯現象中損失的能量外，多經由渦電流轉為熱能。為了減少渦電流，鐵心多以薄板相疊合，或以細線纏繞。 因為渦電流有減緩導體在磁場中運動的作用，也應用在制動裝置上。滑車軌的實驗中即利用磁鐵作為阻力的來源。 儀器 Pasco的渦電流實驗組，包括三腳固定架、磁鐵組、鏟型單擺３種 (梳型、多孔型、無孔鏟型)、單擺固定桿、計時器。 步驟 1. 將單擺固定桿滑入單擺架上，並用螺絲固定於適當的高度。 2. 在固定桿末端掛上1個鏟型單擺，如圖1. 圖1 圖2 圖3 3. 調節磁鐵間的距離，使其間有足夠的寬度讓單擺通過而不接觸磁鐵，如圖2. 4. 用手將單擺提起一個小角度後，釋放單擺使其擺動，觀察單擺振幅減小的情形，並測定擺動一次所需的平均時間. 5. 將磁鐵移走，重新測定周期T. 6. 將單擺分別換成其他兩種，重覆步驟4.~5. 比較振幅衰減的情形有無差異？ 7. 從有阻力時的頻率及沒有阻力時的頻率, 利用的關係，試著計算振幅衰減的情形。這裡的, 是阻力與振動速率之間的比例常數。 電流鞦韆 magnetic force on a current-carrying wire swing 原理 磁場中的帶電物體移動時，會受到Lorentz力的影響，偏移其方向。Lorentz力以SI單位寫作. (若以Gaussian cgs單位要寫作.) 若將導線中的電流視為連續移動的電荷，則. 在導線與磁場垂直的情形下，可以寫作, 其中是導線的長度，而受力與電流大小、導線長度及磁場成正比。 本實驗利用簡易的器材，無法精確度量各物理量，以觀察現象為主。 儀器 Pasco的電流鞦韆實驗組，包括三腳固定架、磁鐵組、電流鞦韆、單擺固定桿、電源。 步驟 1. 將單擺固定桿滑入單擺架上，並用螺絲固定於適當的高度。 2. 在固定桿的兩個孔下方穿入電流鞦韆，懸掛如圖1. 3. 確定磁鐵的極性。將磁鐵組定並垂直放置如圖2. 調整磁鐵間距使鞦韆恰能在磁鐵間擺動。 4. 從電源以banana接頭插入固定桿上端的電極。 5. 調節電源，使直流電流逐漸增加 (在12 V, 6 A以內)。觀察鞦韆的移動。 6. 更換電流的方向，重覆步驟5. 圖1 圖2 順磁性與反磁性 paramagnetism and diamagnetism 原理 當磁場加到某物質時，該物質上產生與磁場方向相同的磁化，稱為順磁性，即正的磁化率。順磁性通常由自旋或電子的軌道運動所引起。 當磁場加到某物質時場加到某物質force on a current-carrying wire swing時，該物質上產生與磁場方向相反的磁化，稱為反磁性，即負的磁化率。反磁性一般起因於電子的軌道運動，而總和的結果恰為負的情形，例如各層電子填滿的惰性氣體。超導體則具備完全反磁性的特性。 儀器 Pasco的磁性實驗組，包括三腳固定架、單擺固定桿、玻璃棒及中空鋁棒。 步驟 將反磁性材料 (玻璃) 或順磁性材料 (鋁) 棒懸掛在磁鐵組中間，使其能自由轉動。觀察棒狀材料受到吸引或排斥的情形。鋁棒特殊的形狀是為了減小渦電流。 感應起電 Faraday’s law 原理 通過封閉回路中的磁通量有變化時，會產生電流以抵消磁通量的變化，並且與變化率成正比，是謂感應起電。磁通量的變化可由別的線圈上電流的變化引起，或是磁鐵的移動，封閉回路本身電流的變化亦可造成，以及封閉回路的移動。這些現象在1831年由M. Faraday所發現，由F. E. Neumann寫為數學的形式。 以定磁場中為例，導體在其中以速度移動時，其中的電荷q受到Lorentz力作用，產生的起電力為 . (1) 若考慮某一靜止回路，則在磁通量變化時，產生的起電力為 , . (2) 以磁通量來考慮，(1),(2)可以合併為同一個式子，所以在Maxwell方程式中以同一個方程式來表現。渦電流即為感應起電的一種。感應起電的方向與感應電流所受的力的方向，要滿足Lorentz力的關係。 步驟 1. 將Pasco的Faraday定律實驗片 (附發光二極體的線圈) 的線圈部份置於磁鐵組的二個磁鐵間隙中，在磁鐵的連心線上來回移動。注意磁極的方向。觀察發光的情形，並注意發光的顏色，即可知電流的流動方向 (紅色為逆時