GCSE 科學/電動機效應
電動機效應是指當載流導線在磁場中時所經歷的力的術語。一個簡單的實驗演示將向你展示這是真的。
將連線到電源的導線放在蹄形磁鐵的兩極之間。開啟電源，導線就會移動。通常運動非常小，因為典型的蹄形磁鐵並不強。
力取決於許多因素
- 磁線圈內部磁場的強度，因為它通常是鐵，而鐵是磁吸引力的良好導體。(B)
- 流經導線的電流大小。(I)
- 導線與磁場方向之間的角度。(θ)
- 導線在磁場中的長度。(L)
力遵循公式：
前兩點非常明顯，所以讓我們更詳細地看一下第三點。蹄形磁鐵的磁場幾乎從北極到南極呈直線。如果導線以直角切割該場，則產生的力將最大。如果導線平行於場，從北極到南極或反之亦然，導線仍將受到電動機效應的影響。但是，這種力的淨結果沿著導線，而不是垂直於它，因此導線不會轉動。
話雖如此，在 GCSE 中，你只需要考慮場和導線以直角切割的情況。力始終垂直於場和流經導線的電流。這意味著如果你在一張紙上畫出磁場和導線的方向，則力將從紙平面垂直指向向上或向下（關於你如何算出哪個方向的更多資訊）。
看一下上面的圖。為簡單起見，只繪製了蹄形磁鐵的兩個末端。電源和連線線也沒有顯示。磁場進入螢幕。電流從右到左流動。黑線表示力，因此表示導線移動的方向。
- Q1) 命名一種可以增加導線上力的方法。
- Q2) 儘可能多地命名減少導線上力的方法。
- Q3) 命名兩種反轉導線上力的方法，使其向上推導線而不是向下。
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此規則使你可以算出力的方向。將你的左手排列，使你的拇指、食指和中指相互垂直。
- 指向你的 First finger 指向磁場的方向。
- 指向你的SeCond finger 指向 電流的方向。
- 然後， Thumb 將給你力的方向（推力）。
記住你必須使用你的左手！雖然你可以使用你的右手，只要你交換電流的方向和力的方向
Q4) 一名學生使用她的右手而不是左手。這將對她的力計算產生什麼影響？
你會記得載流導線周圍有它自己的磁場。下圖顯示了導線在兩個 NS 相向的磁鐵的磁場中端檢視。由磁鐵產生的場以藍色顯示，由導線中的電流產生的場以黑色顯示。
注意箭頭所示的兩個場的方向。在導線上方，這兩個場都朝同一個方向。它們加起來形成一個整體強場。
在導線下，它們朝相反的方向。它們在一定程度上相互抵消，形成一個整體弱場。新場在下圖中顯示。
看看導線上的場如何更強。線更靠近。在導線下，場較弱（由於部分抵消）場線更遠。力向下推導線，遠離強場進入弱場。就好像場線試圖相互排斥。它們不喜歡被擠在一起，並試圖拉直。它們也表現得好像由橡皮筋製成，不喜歡被拉變形。（這只是一個模型。線不是真實的，它們實際上不會試圖相互推開，但我發現這是一種幫助我理解發生了什麼的方法。如果它對你不起作用，就不要使用它）
- Q5) 使用場線不喜歡被擠在一起的想法來解釋為什麼兩個具有相同極性的磁鐵相互排斥。
- (Q6) 使用場線由橡皮筋製成，不喜歡被拉伸的想法來解釋為什麼兩個具有相反極性的磁鐵相互吸引。
好的，到目前為止，我們一直在研究將載流導線置於磁場中時產生的力。在本節中，我們將研究這種力的實際應用。正如你可能已經從本頁的名稱中猜到，實際應用將是電動機。
看一下上面的圖。一個矩形線圈位於磁場內。我們可以考慮線圈的四個部分中的電流，並算出力的作用方向。
- 線上圈的左側，電流正在流入頁面或螢幕。磁場將從左到右流動，因此根據弗萊明左手定則，力將向下。
- 線上圈的背面和正面，電流平行於磁場，因此力為零。
- 線上圈的右側，電流正在從頁面或螢幕中流出。場仍然從左到右流動，因此力將向上。
這些不同力的淨結果是，將存在一個轉矩，使線圈旋轉 90°。此時，向上和向下的力將沿同一直線作用，線圈將停止旋轉。另一種思考方式是將線圈視為一個微小的單匝螺線管。螺線管將有一個小北極和小南極，因此將移動，直到它的北極與右側磁鐵的南極對齊，它的南極與左側磁鐵的北極對齊。
這一切都很有趣，但作為電動機卻沒有太大用處。我們想要的是在電流流過時不斷旋轉的東西。實現這一點的方法是使用換向器——一個分成兩個半圓的圓形金屬環。線圈的末端在換向器內部旋轉。它們與之有電接觸。換向器的一側連線到電源或電池的正極。換向器的另一半連線到負極。
讓我們看看線圈在換向器內部旋轉時會發生什麼
- 線圈順時針旋轉，因為如上所述，線圈的兩個半部分上存在力。
- 隨著線圈旋轉，電線在換向器內部滑動。
- 當線圈處於垂直位置時，它不會受到力的作用，但它的動量會使其稍微向前移動。
- 換向器內部的電線與環的另一半接觸。即，與換向器正半部分接觸的電線現在接觸負半部分，反之亦然。
- 這導致電流以相反的方式流過線圈，這反轉了小螺線管磁鐵。
- 因此，線圈試圖透過繼續旋轉來與磁場對齊，最終指向另一個方向。
- 一旦線圈垂直並朝另一個方向，電線就會接觸到換向器的原始半部分。整個迴圈一遍又一遍地重複
Q7) 一名學生設定了一個電動機並開啟它。線圈順時針旋轉。列出兩種可以反轉方向的方法。
| 總結 |