電鑽發電機教具演示

電鑽發電機教具演示

2017物理教學與示範演討會

吳明德老師 / 麗山高中

在東海大學發表電鑽發電機教具演示

發表電鑽發電機教具演示台下聽眾

利用iPad平板電腦作為磁場探測工具

摘要：       

      在高中物理電磁感應課程，僅講述磁通量時變率等於應電動勢理論，欠缺合適的定量實驗讓學生能直觀理解。本文中所設計電磁感應實驗教具，可以很方便解釋交流發電機的運作。首先iPad測量強力磁鐵的強度，接著由自偶變壓器控制電鑽下的強力磁鐵的轉速，而此磁場變化通過已知匝數及面積的線圈後，最後可以計算出此線圈應電動勢的理論值，同時此交流訊號由數位示波器，可以測量出應電動勢的實驗值。而實驗值十分接近理論值。本教具實驗過程被拍攝紀錄在臺北酷課雲網 站，而此電鑽發電機教具，在高中物理學科中心，臺北市麗山高中物理專題課程中，以及臺北市仁愛國中的風力發電機資優課程中，由我在師生前實際示範演示，都獲得相當正面的評價。

iPad測亥姆霍茲線圈產生的磁場 

       許多手機與平板行動載具內建許多感測器，其中包含磁感應器。而這正好可以作為電磁感應實驗的儀器。但是，不知道這些磁感測器所測得的數據到底準不準？在驗證之前要先確定磁感應的位置在哪裡？

       我使用iPad air 2平板電腦，以帶有磁性的螺絲起子來回移動，同時觀察磁場訊號讀數，發現最大磁場讀數時，也就是說螺絲起子的位置位於磁感應器處。接著將平板電腦放置在亥姆霍茲線圈內，要注意磁感應器要置於線圈的中心處。接著調整直流電源供應器的電流值。再代入電流、線圈匝數、線圈半徑與間距等數值後，可求出亥姆霍茲線圈中心處磁場理論值，與使用智慧行動載具的磁場測量值（需扣除除地磁），若是理論值與實驗值兩者相符說明，即說明 iPad air 2 等行動載具，可以作為測量磁場儀器。

磁性螺絲起子尋找iPad磁場感應器位置

iPad測量亥姆霍茲線圈磁場

電鑽轉動磁鐵線圈感應磁通量變化

       利用電鑽旋轉磁鐵，產生磁場變化，再自製線圈由磁通量變化得到應電動勢。本教具的設計是：兩個強力磁鐵夾著螺釘，並用熱熔膠接著固定，再確定而螺釘鎖緊在桌上型電鑽的夾頭中心，希望能避免電鑽高速旋轉後磁鐵離心射出，導致有人受傷。

       爲測量線圈接收到強力磁鐵的最大磁場為何？將iPad 的磁感應器置於預設線圈中心的地方，藉由將電鑽夾頭處的磁鐵的上下位置加以調整，並旋轉強力磁鐵，讓磁力線能通過線圈（磁感應器）有最大值，由行iPad 磁感應器測得出最大磁場強度。倘若線圈面積不大，就可以假設線圈處約為均勻磁場。得到此線圈最大磁通量可計算為：扣除地磁後最大磁場乘上線圈面積。

iPad測量強力磁鐵磁場強度

磁鐵旋轉使線圈產生應電動勢

自耦變壓器控制轉速電表測頻率

       要計算應電動勢的振幅，除了要知道線圈匝數、線圈最大的磁通量外，還需要知道應電動勢頻率的多寡。測量電鑽發電機的感應電動勢頻率，是將線圈產生的交流訊號，接到萬用電錶（要轉到頻率檔），即可得知電動勢的頻率多寡。使用自耦變壓器調整電鑽的電壓，即可控制磁鐵的轉速。但是要注意，當磁鐵的轉速過低時，線圈的交流訊號電壓太小，難以觸發萬用電錶開始計頻，導致無法顯示磁鐵旋轉頻率數值。

自耦變壓器控制電鑽，電表測其轉速

數位示波器測交流應電動勢振幅 

    萬用電錶可以測量交流電訊號，但是無法暸解應交流電動勢的週期波型。利用數位示波器分析波型，得到兩結論：

• 頻率變高（週期變短）、則振幅變大。而時間與應電動勢的積分（所圍的面積）不變，則代表磁通量為不變

數位示波器顯示20赫茲應電動勢波形

數位示波器顯示40赫茲應電動勢波形

•  為了線圈導線容易連接的緣故，本實驗並非線圈在均勻磁場中旋轉，而是採用強烈指向性的強力磁鐵旋轉，由靜止的線圈接收感應時變磁場，所以感應的應電動勢波型並非為正弦或餘弦波型。