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雅各天梯是一個有趣的演示。將兩組金屬線圈套在鐵芯上組成一個變壓器。左邊線圈（主線圈）及右邊線圈（次線圈）的匝數分別為300匝及24000匝。主線圈接至220伏特交流電源，次線圈接至一對號角形金屬棒。打開電源開關，兩支金屬棒底端間產生耀眼的火花。火花沿著金屬棒快速向上爬，像是可愛的小精靈在爬天梯。雅各天梯是利用電磁感應原理。依據法拉第定理，通過線圈的磁通量改變時線圈會產生感應電流。主線圈接交流電源，產生隨時間改變的磁場。磁場沿鐵芯傳遞至次線圈。通過次線圈的磁通量隨時間改變，因此次線圈產生感應電流。次線圈匝數為主線圈匝數的80倍，因此次線圈兩端的電壓（兩支金屬棒間的電壓）為主線圈電壓的80

周祥順｜海洋大學光電學研究所

科學家的巧思–逆向思維

改變一般人慣用的思考方式，換個角度從相反的方向想事情，自古至今，科學家們運用這種「反傳統、反向思考」的創作性思維，獲得許多驚人的發現與突破。

鍾岳霖｜新竹高中

風力發電機

桌上有一台風力發電機。風扇吹風使發電機葉片轉動，發電機基座上的 LED 燈就會發光，非常有趣。發電機是利用電磁感應原理。在解釋電磁感應之前，我們先介紹磁通量。磁場垂直線圈的分量與線圈面積的乘積稱為磁通量。英國物理學家法拉第最早觀察到電磁感應現象並提出解釋。根據法拉第的解釋：通過線圈的磁通量改變時線圈會產生電流。此電流並非由電源產生，而是因磁通量改變而感應產生的，因此稱為感應電流。感應電流的大小與磁通量對時間的變化率成正比。這就是法拉第定理。丹麥物理學家奧斯特發現電可以生磁，法拉第則發現磁可以生電。奧斯特與法拉第的發現為電與磁之間搭起了橋樑。現在大家可以瞭解風力發電機的原理了。發電機頂端

周祥順｜海洋大學光電學研究所

愣次金屬環

老師將鋁環置於支架上，使鋁環可自由水平轉動。手拿磁鐵，若磁鐵朝向鋁環運動，鋁環會被磁鐵推開。反之，若磁鐵離開鋁環，鋁環則會被磁鐵吸引。這個現象是電磁感應造成的。磁鐵朝向鋁環運動，通過鋁環的磁通量增加。根據法拉第定理，鋁環會產生感應電流。根據愣次定理，感應電流產生與磁鐵磁場相反方向的感應磁場抵抗增加的磁通量，因此鋁環與磁鐵互斥。反之，磁鐵遠離鋁環，通過鋁環的磁通量減少。根據法拉第定理，鋁環會產生感應電流。根據愣次定理，感應電流產生與磁鐵磁場相同方向的感應磁場彌補增加的磁通量，因此鋁環與磁鐵互吸。

周祥順｜海洋大學光電學研究所

老師手中拿著轉動的鋁製圓盤，將磁鐵靠近鋁盤，鋁盤立刻停止轉動，這種現象稱為「磁剎車」。磁剎車是利用電磁感應原理。我們在感應點燈及愣次環單元中已介紹過法拉第定理及愣次定理。我們可用這兩個定理解釋磁剎車現象。這裡介紹的感應電流為旋渦狀，此種旋渦狀的感應電流稱為「渦電流」（請參考「愣次擺」及「風速計」單元）。磁鐵左方（右方）區域的感應磁場與磁鐵磁場方向相反（相同），因此磁鐵對左方（右方）區域施斥（吸）力，使鋁盤剎車。

周祥順｜海洋大學光電學研究所

愣次擺（魔術擺）

準備一個鋁片，將鋁片掛在金屬棒上，使鋁片可以自由擺動。再準備兩塊磁鐵，使兩塊磁鐵異極相對。調整磁鐵位置使鋁擺擺動時可通過兩塊磁鐵中間。輕輕將鋁擺抬高，然後放手讓鋁擺擺動。當鋁擺通過兩塊磁鐵中間時，鋁擺會立即剎車停止擺動。再將一塊被切成條狀的鋁擺掛在金屬棒上，重做實驗。被切成條狀的鋁擺可通過兩塊磁鐵中間，完全不受磁鐵影響。這個演示是利用電磁感應與渦電流的原理。磁鐵的磁場與鋁擺的感應磁場方向相反，因此互相排斥。磁鐵作用在鋁擺上的排斥力會使鋁擺剎車。利用電磁感應及渦電流使物體剎車的過程稱為磁剎車。火車就是利用磁剎車原理剎車的。被切成條狀的鋁擺不易產生渦電流，因此不會產生磁剎車。

周祥順｜海洋大學光電學研究所

老師手中拿著一個風速計玩具。對扇葉吹氣，指針就會偏轉。風速計是利用電磁感應及渦電流原理設計的。我們將風速計拆開研究內部的構造。扇葉背面是南北極相鄰的環狀磁鐵，指針背面是一塊圓形鋁盤，環狀磁鐵與圓形鋁盤面對面但未接觸。扇葉轉動帶動環狀磁鐵轉動，磁鐵轉動使鋁盤及背面的指針轉動。由指針轉動的角度可讀出風速。

周祥順｜海洋大學光電學研究所

老師將鋁環套在螺線管上，打開電源，使螺線管通過交流電。嚇！鋁環竟然飛起兩公尺高。再將一個有裂縫的鋁環套在螺線管上重做實驗。咦！鋁環怎麼不飛了？大家還記得愣次環的實驗嗎？在愣次環實驗中，磁鐵靠近鋁環可將鋁環推開，這是電磁感應造成的。螺線管拋出鋁環也是利用同樣的原理。螺線管通過交流電，因此螺線管產生的磁場隨時間改變，通過鋁環的磁通量也隨時間改變。依據法拉第定理（請參考「感應點燈」及「風力發電機」單元），磁通量改變時鋁環產生感應電流。依據愣次定理（請參考「愣次環」單元），感應電流的方向會阻抗磁通量的改變。如果某瞬間螺線管產生向上磁場，則鋁環的感應電流產生向下磁場，阻抗向上磁通量增加。

周祥順｜海洋大學光電學研究所

老師將長約 150 公分的中空鋁管直立，然後將鐵棒置入管中，鐵棒不到一秒即掉落至鋁管底端。老師再將與鐵棒同樣大小的磁鐵放入鋁管，磁鐵經 20 多秒才掉落至鋁管底端。這個現象與電磁感應有關。我們在「感應點燈」及「風力發電機」單元介紹過法拉第定理，在「愣次環」單元介紹過愣次定理。我們可用這兩個定理解釋為什麼磁鐵在鋁管中緩慢降落。磁鐵沿鋁管向下運動時，通過鋁管橫截面的磁通量會改變。根據法拉第定理，鋁管會產生感應電流。感應電流的方向由愣次定理決定。如果磁鐵北極在下端，則磁鐵磁場向下。當磁鐵沿鋁管掉落時，通過磁鐵下方鋁管向下的磁通量增加。根據楞次定理，磁鐵下方鋁管會產生感應電流（嚴格說，鋁管並非

周祥順｜海洋大學光電學研究所

第一個實驗中，老師手中拿著一個壓克力管，管上有三個金屬線圈，線圈上有各種不同顏色的 LED 燈。將磁鐵置入管內，當磁鐵沿著管內落下時， LED 燈輪流發光，像耶誕燈飾一般，十分有趣。這個現象是電磁感應（Electromagnetic induction）造成的。在第二個實驗中，老師將小燈泡焊接在金屬線圈上，然後將線圈套在螺線管上。打開電源開關，使螺線管通過電流，小燈泡就會發光。這也是電磁感應所造成的。在我們的實驗中，螺線管通過交流電，因此螺線管的磁場隨時間改變，通過線圈的磁通量因而也隨時間改變。依據法拉第定理，通過線圈的磁通量改變時線圈會產生感應電流。感應電流通過燈泡燈泡便會發光。

周祥順｜海洋大學光電學研究所

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