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1、中華民國中華民國 第第 49 屆中小學科學展覽會屆中小學科學展覽會 作品說明書作品說明書 國小組 物理科 080106 探討電磁鐵裝置中線圈纏繞的形狀與磁力大小之關係探討電磁鐵裝置中線圈纏繞的形狀與磁力大小之關係 學校名稱：澎湖縣馬公市馬公國民小學 作者： 指導老師： 小五 吳舒婷 小四 楊美荷 小四 康維真 小五 蕭沛函 小五 吳季庭 林鈺珅 陳河開 關鍵詞：電磁鐵、磁力大小 1探討電磁鐵裝置中線圈纏繞的形與磁大小之關係 探討電磁鐵裝置中線圈纏繞的形與磁大小之關係 摘要 本作品目的在於探討小學自然與生活科技教材有關電磁鐵裝置之內容，其線圈纏繞的形 與電磁鐵磁之關係。實驗小組用自設計之實驗設備
2、操作實驗，自製 4 種外圍周長相 同、但形同的中空柱體，分別以相同長之導線纏繞相同的圈做成各式電磁鐵，再 用砝碼及迴紋針做為測磁之工具，得到相同線圈之情形下，所繞的線圈之形愈靠相同線圈之情形下，所繞的線圈之形愈靠 近圓形者，其產生的磁愈強近圓形者，其產生的磁愈強之結。實驗小組並針對線圈纏繞之中空管的粗細大小對磁 的影響提出現象的探討，得到磁的大小與中空管的粗細並無直接關，透過電阻與電磁的大小與中空管的粗細並無直接關，透過電阻與電 的測，通過線圈之電大小才是影響磁最重要的因素的測，通過線圈之電大小才是影響磁最重要的因素之另一結。最後，實驗小組 用穩定之電源供應控制，設計一嚴謹之操作步驟，以維持實
3、驗結果之穩定性。最後針對電 磁鐵各種變因與磁的影響，提出現象的觀察心得。 壹、研究動機 在自然生活與科技課頭， 電磁作用單元內容提到通電的線圈可以產生磁通電的線圈可以產生磁，課本製 作的電磁鐵所產生的磁強弱主要受到二個因素影響：1.電池的；2.線圈的多寡。 去的學長姊曾經以此為主題做過似的科學實驗加科展，並且得到相同線圈之情形 下，導線曲愈大者(纏繞的吸管愈細者)，其產生的磁愈強相同線圈之情形 下，導線曲愈大者(纏繞的吸管愈細者)，其產生的磁愈強之結。但我們對於這樣的結感到懷疑！因為將線圈纏繞於同粗細的吸管中，雖然纏繞圈的變因受到控制，但是 對於線圈所纏繞的長並未受到控制對於線圈所纏繞的長並未
4、受到控制，因此所得到以愈細的吸管纏繞線圈所產生的磁愈大 的結可能是有問題的。 有去學長姊的經驗做知，影響磁大小的因素除電池與線圈多寡以 外，在整個實驗裝置及過程中還包含麼因素？為此，我們在班上成科展小組，並進熱的討，最後提出假設：電磁鐵的磁大小可能與線圈纏繞的截面積有關，但必須將線圈的長予以固定提出假設：電磁鐵的磁大小可能與線圈纏繞的截面積有關，但必須將線圈的長予以固定。為驗證假設，我們設計並操作許多實驗，製作相同的外圍周長、但同形中空角柱（正三角柱、正四角柱、正角柱、圓柱）做為變因的 操控，希望能夠發現線圈環繞同形之角柱與磁大小的關係。 貳、研究目的 一、探討電磁鐵線圈導線所纏繞形對磁的影響
5、。 二、分析電磁鐵中影響磁之因素。 三、學會設計科學實驗對變因的控制觀及方法。 四、培養大膽假設、小心求證的科學研究態與方法。 2、研究設備及器材 名稱及樣式 照片 中空角柱 (纏繞 1 圈周長 2.4cm) 正三角柱、正四角柱、正角柱、 圓柱各 1 個 電子秤(500g/0.1g) 1 部 三用電表 1 部 電源供應器 1 部 漆包線(0.3mm) 1 綑 鐵棒(10cm；2cm3) 9 根 3名稱及樣式 照片 迴紋針 200 根 小砝碼 20 個 固定架 1 組 其他物品 計算機、棉繩、膠帶、剪刀、碼錶、試管 肆、研究過程及方法 為觀察電磁鐵線圈導線所纏繞的截面積對磁的影響，我們設計 4
6、個活動，做為逐 步觀察產生磁的影響的實驗步驟。 一、活動一：製作各種形中空角柱並計算底面積 操作方法：取繞 1 圈總長 2.4cm、4.8cm、6cm 的長，用透明投影片製作出正 三角柱、正四角柱、正角柱、圓柱體，並計算底面積。 二、活動 2：變因及實驗程的控制 操作方法：將鐵芯(電磁鐵中的鐵棒)材質及長；電源供應器；漆包線的材質；導 線圍繞的圈為控制變因，討將這些變因保持變之辦法，建本 實驗之標準操作程。 三、活動 3：探討測磁的設計裝置與磁的測物 操作方法：探討衡電磁鐵產生磁後判斷磁強弱的方式與測磁的工具，並 設計方操作的實驗裝置操作實驗。 四、活動 4：比較纏繞在同角柱之導線所形成之電磁
7、鐵所產生的磁關係 操作方法：分別以同粗細之正三角柱、正四角柱、正角柱、圓柱為材枓，為其 繞上 120 圈的漆包線，用本實驗裝置在通電後開始測磁，最後並 繪製出導線纏繞形與磁的關係圖。為講求結果的可信，我們固 定由 1 位成員統一操作迴紋針與砝碼的擺放，每組從 7 次當中去除最高4與最低的 2 次，從剩餘之 5 次據中觀察發現。 五、活動 5：比較相同長、但纏繞在同粗細圓柱之導線所產生的磁關係 操作方法：取相同長的導線 3 條，將其各自繞在同粗細的圓柱上，觀察所產生 的磁大小關係。 伍、研究結果 一、角柱的製作與底面積的測 為讓纏繞每一種角柱使用相同長的漆包線，我們取 3、4、6 的最小公倍 1
8、2 做 為製作角柱的基礎，考角柱中能夠插入鐵棒為原則，所製作的角柱並能太細，因此 最後決定以 2.4cm、4.8cm 為主，製作出正三角柱（每邊長 0.8cm、1.6cm） ；正四角柱(每 邊長 0.6cm、1.2cm)；正角柱(每邊長 0.4cm、0.8cm)；圓柱(周長 2.4cm、4.8cm)。 由於各柱體形的同，最明顯的特徵在於其底面積同，也就是線圈環繞的截 面積截 面積同。因此，本實驗小組一併針對柱體底面積進計算。 由已知的邊長去推算面積，我們的能只能算到正方形及圓形，因此，正三角形及 正邊形的面積就是上網蒐尋公式，再代入公式而得。各種角柱及底面積如下表 1 所示。 表 1：本實驗所
9、採用角柱照片及底面積 名稱 角柱照片 周長2.4cm 之底面 積(cm2) 周長 4.8cm 之底面 積(cm2) 周長 6.0 之底面積 (cm2) 正三角柱 0.277 1.109 1.732 正四角柱 0.360 1.440 2.25 正角柱 0.416 1.663 2.598 圓柱 0.458 1.833 2.866 由表 1 可得知，在底面周長相等的情形下，圓柱的底面積最大；正三角柱的底面積最小。 二、變因及實驗程的控制 (一)控制變因： 本實驗將鐵芯材質及長；電源供應器；漆包線的材質；導線圍繞的圈為控 制變因 (即課本 保持變的變因 )，並且討保持其變的態，整成如下表 2： 5表
10、2 本實驗控制變因及其內容 變因名稱 照片 規格及控制方式 鐵芯材質 蒐集教材廠商撥發實驗材之鐵棒，並確認本 身具磁 鐵芯長 鐵棒長 10cm，全部採用同一廠商撥發之教具材 (軟鐵材質) 電源供應器 確保輸出的電壓保持穩定，會產生像電池隨 著時間衰減的問題 漆包線 全部皆用相同之漆包線(寬約 0.3mm) 導線圈 配合鐵棒僅有 10cm 之限制，導線圈為 120 圈，並置中於吸管中央 (二)其他變因的控制 1.電源供應器的控制：由於學校設備添購為簡式電源供應器，為觀察電源供 應是否穩定，我們以三用電表測電源供應器開啟後之電壓(皆轉至 1.5V)，每 10 秒記一次，由於每次實驗皆超過 1 分鐘
11、，故以 1 分鐘為限，得到資如 表 3 所示。 表 3 持續通電之輸出電壓一覽(單位：伏特) 經過時間 電壓選擇 10 秒 20 秒 30 秒 40 秒 50 秒 60 秒 1.5V 5.68 5.65 5.66 5.59 5.58 5.58 由表 3 可知，電源供應器供應電壓屬於穩定電源供應器供應電壓屬於穩定(尤其在 30 秒後達穩定)，本實驗 會因電壓輸出同而導致影響結果。 2.實驗程的控制：為確保每 1 次實驗的穩定性，將實驗步驟做如下的控制： (1)每一次實驗前，先用三用電表測電磁鐵線圈中的電，所測得據皆須 保持一致。 (2)在做完每 1 次實驗後，皆即將電源供應器關掉。 (3)每 1
12、 次測後，用迴紋針測試鐵芯是否已磁化，鐵芯未通電具有磁 時，則以敲打方式使其磁消失後繼續。 三、探討測磁的設計裝置與磁的測物 (一)測磁的裝置：為避免鐵芯與吸管間的移動會影響磁，我們設計分別固 定者的實驗裝置，如圖 1 所示，將人為操作的誤差減至最小。 6圖 1 實驗裝置圖 (二)磁的測：以實驗室的小砝碼(每個重約 2 公克)與迴紋針做為測磁大小 的工具。鐵芯所能懸掛的砝碼迴紋針代表磁能吊起的重，實驗步驟以先懸掛 砝碼、再懸掛迴紋針的方式進磁的測，直至所有的懸掛物掉為止，測 方式如圖 2 所示。 圖 2 砝碼測磁示意圖 由圖 1、圖 2 可知，本實驗測磁的方法是採取懸掛重多寡做為磁大小 的判定
13、本實驗測磁的方法是採取懸掛重多寡做為磁大小 的判定，用電子秤可以秤出該組電磁鐵可懸掛的重。 四、比較同形及截面積的柱體對磁的影響 (一)底邊周長為 4.8cm、同形的角柱所形成之 120 圈電磁鐵，分別所產生的磁 能吸起的重如表 4 所示。 7表 4 同形的柱體纏繞之電磁鐵吸起的重(單位：公克)【底邊周長為 4.8cm】 角柱 操作次 正三角柱 正四角柱 正角柱 圓柱 1 7.1 8.7 9.9 12.1 2 7.4 9.9 10.9 14 3 7.4 9.9 10.1 14.6 4 7.8 9.9 11.8 12.4 5 8.1 9.9 9.9 12.1 平均 7.56 9.66 10.52
14、 13.04 由表 4 可得知，圓柱為材的電磁鐵，所產生的磁可吸起較重的重，平均可 吸起 13.24 公克重；正角柱次之，平均可吸起 10.52 公克重；依序為正四角柱(平均 可吸起 9.66 公克重)及正三角柱(平均可吸起 7.56 公克重)。 (二)底邊周長為 2.4cm、同形的角柱所形成之 120 圈電磁鐵，分別所產生的磁 能吸起的重如表 5 所示。 表 5 同形的角纏繞之電磁鐵吸起的重(單位：公克)【底邊周長為 2.4cm】 角柱 操作次 正三角柱 正四角柱 正角柱 圓柱 1 15.5 15 16 18 2 17.3 18 17 17.4 3 18.2 17.8 16.9 18.2 4
15、 15.5 17.4 18.2 18 5 16.5 16.9 17.2 18.1 平均 16.6 17.02 17.06 17.94 由表 5 可得知，在底部周長為 2.4cm 的角柱及圓柱，所能吸起的平均重差距在 1 公克，並沒有明顯的差。但仍舊具有愈接近圓形，所產生的磁愈大之現 象。 然而比較表 4 與表 5 之結果，有二點重大發現： 1. 表 4 及表 5 各自有截面積愈大者(愈接近圓形)，具有愈大的磁。 2. 比較表 4 與表 5，卻產生截面積小的(愈細)，具有愈大的磁。 外圍周長較小之角柱及圓柱(截面積較小)，比外圍周長較大之角柱及圓柱(截面積 較大)具有較大的磁。此一現象即推翻本實驗上述的假設！意即：導線纏繞的截面 積愈大，所製作之電磁鐵磁一定一定愈大。 比較表 4 與表 5，截面積與磁之關係只能在特定條件的況下成。由上述 1、 2 之結果，推翻本次實驗之假設，並顯示出電磁鐵的磁與線圈所纏繞中空管之粗細 沒有直接關沒有直接關。僅僅呈現愈靠近圓形，所製作之電磁鐵具有
