磁場

磁場與磁力線、電流的磁效應、載流導線在磁場中所受的力、載流線圈在磁場中所受的力矩、安培計和伏特計的原理和構造、帶電質點在磁場中所受的力

磁性(Magnetism)的由來

磁性(Magnetism)的由來
國立台灣師範大學附屬高級中學物理科陳忠城老師/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編

電子的自旋方向有上下兩種。在一些物質中,具有向上自旋和向下自旋的電子數目一樣多,它們產生的磁極會互相抵消,整個原子,以至於整個物體對外沒有磁性。有些電子雖然沒有完全相互抵消,導致整個原子具有一定的總磁矩。但是這些原子磁矩之間是混亂排列的,所以整個物體不具鐵磁性。

螺線管(Solenoid)

螺線管(Solenoid)
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

所謂的螺線管,指的是由一質地均勻的金屬導線,所纏繞而成的金屬線圈,若現在有一電流通過,螺線管便會產生磁場,如下圖

若流入平面的導線中間有一點 $$P$$,根據安培右手定則,$$P$$ 點左邊的導線會給予 $$P$$ 點向下的磁場,而 $$P$$ 點右邊的導線則會給予向上的磁場,大小相等但方向相反,彼此互相抵消,最後的結果,便如圖所示,我們可以根據安培右手定則知道內部磁場的方向,四指彎曲指向電流方向,此時大拇指所指的就是內部磁場的方向。若此螺線管纏繞的非常均勻、緊密,且長度遠大於口徑,則內部的磁場便可視為均勻分布。

質譜儀

質譜儀 (Mass Spectrometry)
臺中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

所謂的質譜儀,是一種能夠判別樣品的元素組成或分子的分析儀器,其原理主要是利用離子之荷質比的不同,加以分離各個離子,並測量其分子量。
下圖為質譜儀之簡易構造圖。

質譜儀之構造主要分成五個部份:樣品導入系統、離子源(ion source)、質量分析器(mass analyzer)、偵測器(detector)、質量處理系統(data analysis)。首先,我們利用導入系統將樣品導入,這些樣品會在離子源的地方產生電離,被分解成離子態,再藉由電場加速正離子之運動(電場方向會決定打出去的離子是帶正電或負電,在此,我們利用的是正離子),使正離子變成離子束,打向質量分析器,而分析器處設有一個磁場,這些正離子在磁場中會受到垂直速度方向的磁力影響,因為荷質比的不同,造成之磁力便會不同,因此,各個正離子會根據不同磁力所造成的軌跡前進,接著撞擊在偵測器上,當離子撞擊偵測器時,連接著偵測器的電線會提供電子,用以中和離子使其恢復電中性,這些電子在電線上不斷移動,使電線產生電流,最後,質量處理系統根據這些電流大小進行分析,便可知道分離出來的粒子為何了。

檢流計

檢流計 (Galvanometer)
臺中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

所謂的檢流計,是一種可以測量電路中電流的電流計,其原理裝置圖如下:

如圖所見,中間是一個鐵製的圓柱,上面纏有 $$N$$ 匝的線圈,並由永久磁鐵環繞包覆,最後線圈再連接指針和一個渦形的彈簧。如此一來,導線通有電流時,會產生一個向下的磁力(大拇指指向電流方向、四指指向磁場方向、掌心指向受力方向,而圓柱頂面的導線平行磁場,故不產生磁力,產生的是圓柱側面的導線),此磁力會對線圈造成力矩,我們知道 $$N$$ 匝線圈在磁場中所受的力矩為:

$$\tau = NIAB\sin\theta$$

其中 $$A$$ 為線圈所包覆的面積、$$B$$ 為徑向(平行鐵製圓柱半徑方向)的磁場、$$\theta$$ 為線圈法方向和 $$B$$ 的夾角。

磁力(Magnetic Force)

磁力(Magnetic Force)
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

所謂的靜電力指的是將電荷放進電場中所受到的力,磁力亦是如此,若電荷在垂直的磁場中以速度v移動,也會受到磁力的影響而改變運動方式。

首先,我們討論載流導線在磁場中的受力情形。現有一個穿出紙面的均勻磁場,在磁場中我們放入一個長L、載有電流I(方向由右到左)的導線(如圖一),發現導線受力作用而運動,受力方向如圖二所示。

磁鐵(Magnet)

磁鐵(Magnet)
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

所謂的磁鐵,是一種可以產生磁場的物體,若用細線懸掛一個磁鐵棒,磁棒會指向南北方,指向北方的磁極稱為指北極或N極,反之,指向南方的稱為指南極或S極,若將兩個磁鐵的同性極互相靠近,兩塊磁鐵會互相排斥,若將異性極互相靠近,則磁鐵會互相吸引,這種同性相斥、異性相吸的特性和靜電力非常相似,由此可知,地球本身也具有磁性,目前的地理北極是S極,地理南極則是N極。

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