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電磁感應與變壓器實驗

目的：

1.驗證法拉第定律(Faraday’s Law)及楞次定律(Lenz’s Law)。2.瞭解變壓器的基本運作原理。

原理：

(一) 法拉第定律及楞次定律：

當通過一封閉線圈內的磁通量()隨時間(t)發生改變時，便會在此封閉線圈上

形成感應電動勢ε(即感應電壓)，這就是所謂的法拉第定律，其關係式可簡單表示

如下：

t

(單匝線圈) 或t

N

(N 匝線圈) (1)

其中 cosBAAB

，代表其與磁場( B

)、截面積( A

)及磁場跟截面法線夾角()有關，而負號意味感應電動勢反抗磁通量的改變，此即為楞次定律。譬如：當一磁

棒靠近線圈時，通過線圈的磁通量會增加，此時，線圈上的感應電流便會產生反向

的磁場阻止其增加，同理，若磁棒遠離線圈時，通過線圈的磁通量會減小，則線圈

上的感應電流便會產生同向的磁場阻止其減小，換言之，藉由阻止磁通量改變的磁

場可判斷感應電流(或感應電動勢)的方向。以圖(1)為例，若將磁棒之 N 極靠近線

圈，線圈會產生如圖(1a)所示的電流，其建立的磁場用以阻止磁棒的運動。若以磁

通量觀點來看，當磁棒靠近線圈時，其磁通量增加如圖(1b)所示。因此，線圈產生

與磁棒相反的磁場，而此磁場乃由感應電流所建立。

本實驗將應用磁棒運動導致線圈內磁通量改變來驗證法拉第定律與楞次定律。

圖(1a) 圖(1b)

(二)變壓器原理：

變壓器係由兩組線圈組合而成，如圖(2)所示，其中與交流電源相連的一端稱為原線

圈(簡稱初圈)，接負載的一端稱為副線圈(簡稱次圈)，而鐵心(core)形成一封閉磁路，作

為兩線圈能量傳送之橋樑。

其運作基本原理，乃應用原理(一)法拉

第定律，當兩組線圈置於一磁場中，如初圈

通以交流電流時，即產生磁通量，並與次圈 圖 (2)

2

相連，此時，若電流發生變化，則磁通量必隨之改變，使得磁力線切割線圈而產

生感應電動勢，如果線圈中電流變化愈快(即頻率愈高)或線圈匝數愈多，其感應電

動勢就愈大，而次圈感應電動勢即與初圈磁通量變化成比例。

藉由上述基本原理，便可使變壓器達到變壓﹑變流以及阻抗匹配的目的，本

實驗將觀測變壓器變壓、變流的現象。

儀器：

500 匝(白色)、400 匝(黃色)與 800 匝(灰色)等線圈、電磁感應模組板、變壓器模組板、

檢流計、DC/AC 電源供應器、三用電錶(或各式感測器+PC 電腦與科學介面控制站)。

注意事項：

1.固定元件的插子在麵包板上拔取與插入時，請勿使用蠻力。

2.進行元件裝置及連接線路時，務必將電源關掉，以免儀器受損或發生危險。

3.DC/AC 電源供應器具有 4 級輸出設定，開啟前先將級數歸零，用畢後，亦是如此。

4.若轉子內磁棒因吸力而難以控制時，可用小紙片加以塞緊固定之。

5.變壓器模組的線圈請勿拆解，線圈變換僅需交換輸入端與輸出端的連線即可。另

外，若 U 型鐵心或 I 型軛銹蝕，則請以細砂布磨光，並以防銹油塗抹。

6.欲自線圈內移動 I 型軛，必先切除電源，否則，I 型軛會產生磁力，強迫其移動會

損壞線圈。

7.若利用三用電錶量測電流，則須注意將紅色探測棒改連接至電錶的 10A 孔內，此

與量測電壓(連接至 V孔)的情況不同，請勿搞錯。

步驟：

(一)電磁感應之觀測：

a.移動磁棒：

1.採用電磁感應模組板，裝置示意圖如圖(3a)，實際接線圖如圖(3b)，其中檢流計(或電流感測器)的正(＋)端接至 500 匝線圈的Ⅰ處，負(－)端接至線圈的 II 處。(注意：

如果正、負端接相反，亦可運作實驗，只是檢流計指針方向恰相反而已！)2.取一磁棒移向線圈，移動方式依照表(1)所述，將檢流計偏轉結果填入表(1)中。

圖(3a) 圖(3b)

3

b.利用磁棒移動產生交流電(AC)：3.以電錶(或電壓感測器)取代檢流計，裝置示意圖與接線圖分別如圖(4a)與圖(4b)所

示，其中電錶量測設定鍵旋至交流電壓( V)。將磁棒放在線圈內，然後，迅速或緩慢地在線圈內外前後移動， 注意電錶交流(AC)電壓(或監視器)的讀數，並將最大

讀數(相當於快速)與最小讀數(相當於緩慢非靜止)填入表(2)中。

圖(4a) 圖(4b)

c.利用轉子產生交流電(AC)：4.將內插磁棒的黑色轉子置於軸承支架上，如圖(5)所示，然後，再取 500 匝線圈內插

I 型軛且連接一電錶(或電壓感測器)，整個裝置示意與接線圖分別如圖(6a)與圖(6b)

所示，其中電錶量測設定鍵仍旋至交流電壓( V)。5.快速或緩慢旋轉轉子，記錄電錶(或監視器)中交流電壓( V)最大讀數(表快速轉動)與最小讀數(表緩慢轉動非靜止)，填入表(2)。

圖(6a) 圖(6b)

d.感應電動勢之觀測：

6.採用變壓器模組板，包括 400 匝(黃色)與 800 匝(灰色)兩線圈及鐵心，其中鐵心可

拆解成 U 型鐵心與 I 型軛，其如圖(7a)所示。

7.實驗裝置示意圖與接線圖，分別如圖(7b)與圖 7(c)，其中 DC/AC 電源供應器的電

壓設定於第 1 級(3V)，將直流(DC)輸出孔(即標示藍、紅色的孔)連接至線圈 1n 。

圖(5)

4

8.將電錶(或電壓感測器)連接於線圈 2n ，請注意紅色線的連接位置，而電錶量測設

定鍵旋至直流電壓( V)。

9.將 I 型軛與 U 型鐵心鎖緊，然後，讀取開關關閉或開啟瞬間的電錶直流電壓( V)

數值，並將讀數填入表(3)中。

10.將 I 型軛與 U 型鐵心拆解，即旋下 I 型軛，U 型鐵心仍在線圈內，如圖(7d)所示，

重覆上述步驟，將觀察結果填入表(3)。

圖(7a) 圖(7b)

圖(7c) 圖(7d)

(二)變壓器原理：

e.電壓轉變

11. 採用變壓器模組板，裝置示意圖與接線圖分別如圖(8a)與圖(8b)所示，將 U 型鐵心

的鎖上 I 型軛，並連接 DC/AC 電源供應器的交流(AC)接口，即黑色接孔。(注意：

由於此裝置使用交流電，故藍、紅連接線的接孔互換，也不會影響實驗結果。)12.依表(4)設定電源供應器的交流電壓級數，利用電錶量測線圈 1n 的輸入端交流電壓 1V

與線圈 2n 的輸出端交流電壓 2V ，分別填入表(4)中。(注意：量測線圈 1n 的電壓時，

電錶可直接移至線圈 1n 並聯對接，如圖(8c)，線圈 2n 可斷路，因斷路仍有電壓。)

13.將輸入端與輸出端交換(即相當於兩線圈互換，不需拆解變壓器線圈模組)，重覆步

驟 12，把觀察結果填入表(5)。14.計算表(4)﹑表(5)的 12 /VV ，將結果填入表中。

U 型鐵心

I 型軛

鎖螺

5

圖(8a) 圖(8b) 圖(8c)

f.電流轉變

15.裝置示意圖與接線圖分別如圖(9a)與圖(9b)所示，其中 I 型軛鎖緊於 U 型鐵心上。16.線圈 1n 以連接線連接 DC/AC 電源供應器的交流(AC)接口(即黑色接口)，依表(6)設

定電源供應器的交流電流級數(注意：級數不可超過 2 級，否則燈泡可能燒壞！)，再利用電錶量測線圈 2n 的輸出端交流電流 2I ，填入表(6)。(注意：電錶需設定在電

流量測模式，請參閱注意事項 7，同時，電錶須以串聯方式進行量測。)17.將電錶移至線圈 1n 串聯量測輸入端電流 1I ，填入表(6)，但須注意線圈 2n 仍須維持通

路，因斷路沒有電流，接線如圖(9c)所示。

18.將輸入端與輸出端交換，重覆步驟 16~18，並將結果填入表(7)。19.計算表(6)﹑表(7)的 2 1/I I ，將結果填入表中。

圖(9a) 圖(9b)

圖(9c)

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20.參閱附錄，利用 Crocodile Physics 軟體設計變壓器虛擬實驗，模擬電壓與電流轉變

情形。（※此步驟為選擇性！）

記錄與問題：

磁棒移動方式 檢流計指針偏轉方向

不動

磁棒北極自線圈左邊移近

磁棒北極自線圈左邊離開

磁棒北極自線圈右邊移近

磁棒北極自線圈右邊離開

磁棒南極自線圈左邊移近

磁棒南極自線圈左邊離開

磁棒南極自線圈右邊移近

磁棒南極自線圈右邊離開

表 (1)

裝 置 速 度 電表 AC 電壓之讀數

快 速圖 (4)(磁棒移動) 緩 慢

快 速圖 (6)(轉子轉動) 緩 慢

表 (2)

裝 置 開 關 電表 DC 電壓之讀數

開 啟 瞬 間I 型軛鎖緊

關 上 瞬 間

開 啟 瞬 間I 型軛旋下

關 上 瞬 間

表 (3)

1n =400 匝 、 2n =800 匝

電壓級數 1V 2V 12 /VV

1

2

3

4表 (4)

7

1n =800 匝 、 2n =400 匝

電壓級數 1V 2V 12 /VV

1

2

3

4表 (5)

1n =400 匝 、 2n =800 匝

電壓級數 1I 2I 12 / II

1

2表 (6)

1n =800 匝 、 2n =400 匝

電壓級數 1I 2I 12 / II

1

2表 (7)

1.請解釋磁棒在線圈內來回運動或轉子轉動而產生交流電(AC)的原因。

2.在步驟 d 感應電動勢實驗中(如圖(7)所示)，為何直流電壓僅在瞬間產生？且極性方

向為何相反？

3.在感應電動勢實驗或變壓器實驗中，連接兩線圈的 I 型軛有何功用？

4.在變壓器實驗中(如圖(8)及圖(9)所示)，輸入及輸出之電壓與電流，分別跟線圈匝數

成何比例關係？能否根據理論推導說明之。

5.在變壓器實驗中，為何必須輸入交流電(AC)？6.在變壓器實驗中，量測電流時，為何輸出端需接燈泡作為負載而輸入端卻沒有？

7.變壓器應用於阻抗匹配時，阻抗與線圈匝數的關係為何？請推導說明之。(選擇作答)8.請舉例介紹變壓器在日常生活中的一些應用。(選擇作答)

討論：

參考文獻：

1.PASCO、LEYBOLD、群冠等儀器公司，實驗儀器操作說明書。2.Harris Benson, University Physics, Revised, John Wiley & Sons, Inc., 1995。

3.David Halliday, Robert Resnic, Jearl Walker, Fundamentals of Physics, 6th ed., John

8

Wiley & Sons, Inc.2001。

附錄：

變壓器虛擬實驗設計示範

操作示範

※電壓轉變

步驟一

點選元件庫(Parts Library) → 點選 Electronics(電子學) → 點選 Analog(類比) → SignalGenerator & Sound(訊號產生器與聲音) → 點選 Signal Generator 並拖曳至右邊欄位

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步驟二

點選 Analog(類比) → Passive Cmponents(被動元件) → Transformer(變壓器)並拖曳至

右邊欄位 → 點選 Meters(量測元件)並拖曳 Voltmeter 至右邊欄位。

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步驟三

點選各元件之端點，以滑鼠左鍵按住並拖曳延伸線至其他元件之端點，當連接至

元件端點後放開滑鼠左鍵，即可完成導線連接。

點選參數(properties)，並以滑鼠左鍵選擇更改對象(輸入交流電壓或變壓器匝數比)。

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步驟四

點選Parts Library (元件庫) → Presentation (呈現) → Graph (曲線圖) 並拖曳至右邊欄

位中 → 將圖表左上方之探測點延伸至電路上之觀測節點上，並設定

Properties 為 Voltage(電壓)，即可觀測輸出訊號。

註：為使欲觀測之圖形較容易解析，可利用圖表右上方的兩個按鍵將圖形做最佳化之圖像

呈現。

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※ 電流轉變

步驟一

點選元件庫(Parts Library) → 點選 Electronics(電子學) → 點選 Analog(類比) →

Signal Generator & Sound(訊號產生器與聲音) → 點選 Signal Generator 並拖曳至右

邊欄位

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步驟二

點選 Analog(類比) → Passive Cmponents(被動元件) → Transformer(變壓器)並拖曳至

右邊欄位 → 點選 Meters(量測元件)並拖曳兩個 Ammeter 至右邊欄位。

14

步驟三

點選各元件之端點，以滑鼠左鍵按住並拖曳延伸線至其他元件之端點，當連接至

元件端點後放開滑鼠左鍵，即可完成導線連接。

點選參數(properties)，並以滑鼠左鍵選擇更改對象(輸入交流電壓或變壓器匝數比)。

註：設定輸入電壓單位為mV，避免線路過載。

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步驟四

點選Parts Library (元件庫) → Presentation (呈現) → Graph (曲線圖) 並拖曳至右邊欄

位中 → 將圖表左上方之探測點延伸至電路上之觀測節點上，並設定

Properties 為 Current (電流)，即可觀測輸出訊號。

註：重複此步驟，設定探測點於輸入端電流量測器上。

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註：為使欲觀測之圖形較容易解析，可利用圖表右上方的兩個按鍵將圖形做最佳化之圖像

呈現。