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1、簡易自製發電機及相關探討南投縣輔導團自然與科技領域 南投縣立魚池國中 郭憲璋 老師摘 要 n電的磁效應：西元1819年，厄斯特在授課 時，偶然地將一通有直流電的導線，靠近 一可以自由轉動的磁針，結果磁針竟然發 生偏轉。他將電流反向流動，磁針也隨著 電流變化偏轉方向。說明了，在一載流導 線的周圍有磁場存在。且磁場方向和電流 方向有極密切的關係。既然，電可以產 生磁，那麼，磁可以產生電嗎？n西元1831年，英國科學家法拉第就問 了這個問題磁可以產生電嗎？結果 皇天不負苦心人，終於讓他發現：如果 在線圈中間有一磁埸，原先是沒有電流 的線圈，會因為線圈內的磁力變化而產 生感應電流。也因為這一個重大的發
2、現 ，製造了人類史上第一部發電機。n馬達是一種將電能轉換成動能的電動機， 如果反向操作，它就變成一台發電機。我 們可以應用這個原理，動手自製一台靠手 動或風力轉動發電的發電機，材料可選四 驅車小馬達或損壞的光碟機等；甚至可以 用最簡單的銅線【漆包線】、鐵釘、磁鐵 自製發電機。作品名稱 簡易自製發電機及相關探討 壹、動機馬達是種由電能轉換成動能的電動機，因為有次轉 動著馬達的電樞的轉軸，嘗試利用三用電表接上連馬達 兩條電線並轉動轉軸時，赫然發現竟然有電流。於 是知道將電動機反式操作，它就可以變成一台發電機， 另外了解馬達構造後，嘗試將四驅車等的馬達，用工具 固定後，試試看發電效果！是否可以用用最
3、簡單的銅線 【漆包線】、鐵釘、磁鐵自製發電機；探討市面上利用 發電機原理製作的產品及其使用過程帶來的相關知識與 觀念。 貳、目的n一、認識簡易馬達的內部構造 n二、探討影響發電機發電的因素 n三、研究如何製作簡易的發電機n四、探討市面一些運用風力或其他動力發 電的器材參、材料與設備n漆包線（尺寸：0.25mm、0.5mm、10mm ）、磁鐵金女鐵硼磁鐵（直徑35mm、 20mm）、三用電表、馬達、厚紙板、塑膠 空藥罐、鋅銅片電子鐘錶組、LED 燈、市 面一些使用發電機原理的用具手搖發電電 燈、氣壓水力發電機、手腕球、等、粗 鐵絲、等。 肆、過程或方法n一、認識馬達內部構造與功能（一）線圈 （二
4、）磁鐵（三）電刷（四）電樞（五） 整流片n拆解後看到不同構造的馬達四驅車小馬 達等，這些不同馬達內部雖不相同，但 是都可以發現漆包線和磁鐵；另 外，電樞排列形狀是最大的差別。n二、 發電機應考慮的因素（一）線圈數 量（二）線圈尺寸（三）磁性大小n三、 動手自製簡易發電機（一）選用線 圈尺寸（0.25mm及0.5mm）（二）線圈 數量（雙側各100、200、400圈）（三） 金女鐵硼磁鐵（圓形直徑35mm、20mm ）n四、 探討市面上利用動力發電的器材 n手搖發電機驅使電鈴運作 n氣壓水力發電機 手腕球發電電燈 n手搖發電電燈伍、結果n一、認識馬達內部構造與功能（一）線圈 （二）永久磁鐵（三）
5、電刷（四）電樞（ 五）整流 n一般的直流馬達轉子為電磁鐵(以漆包線繞 成)，定子則為永久磁鐵，以永久磁鐵為周 圍的磁場，線圈繞成的電磁鐵為中間轉子。 並適時地改變電流的方向，使轉子能依同一 方向持續旋轉。由外部電源提供電流使通過 轉子導線，以產生磁場與定子磁場相互作用 而轉動，圖中M表示定子磁場方向，I表示流 過轉子導體的電流方向，F表示轉子與定子 磁場相互作用所產生作用力的方向，此力使 轉子轉動。 n二、 影響發電機運作的因素 （一）線圈數量：結果顯示線圈數與產生的 電流有正向關係，線圈數最多的400圈有 較大電流。我們發現線圈數400的設 計裝置很重，在固定動力下，會使其轉速 變慢；但用手
6、轉動並不吃力，可產生 150mA以上的電流。線圈數200的設 計裝置轉速夠快，其產生的電流80mA已 經可以使鋅銅片電子鐘產生運作及點亮 LED燈。n（二）線圈尺寸：實驗結果是較細的漆包 線（0.25 mm）比粗線圈（0.5 和10mm ）產生的電流大；其中尤其以0.25 mm 產 生的電流最大。此外發現，在同樣的動力 下，粗線圈容易因太重而使轉速會變慢， 會影響產生的感應電流變慢。n（三）磁性大小：實驗結果發現：在相同 線圈數與轉速下，磁場磁力大，產生的感 應電流 明顯增大很多。由此可知，磁力 大小是影響的感應電流產生電流的主因。 n三、動手自製簡易發電機n（一）選用線圈尺寸（0.25mm及
7、0.5mm）n（二）線圈數量（雙側各100、200、400圈 ）n（三）金女鐵硼磁鐵（圓形直徑35mm、 20mm）n 1、成品圖像n一般馬達的構造是永久磁鐵在外，包圍有 線圈的電樞；我們將永久磁鐵放置中央， 線圈包圍在外。將塑膠空藥罐底部挖空， 鐵絲穿過圓筒兩側；n圓筒中央放置金女鐵硼磁鐵四片，小心夾 手，最好磁鐵中間有墊子，保持磁鐵兩端 平橫。在圓筒上鑽兩小洞，方便一端漆包 線鑽進出圓筒，先固定這端漆包線的線頭 ；再以漆包線纏繞鐵絲兩側，建議左右各 繞200圈以上，最後將另一端漆包線鑽進出 圓筒，固定漆包線的線頭在圓筒上，兩端 漆包線的線頭都需用砂紙摩掉外皮的漆料 ，方便電流有導體連接。2
8、、成品圖示與說明 轉動鐵絲發現已經使銅鋅片電子鐘螢幕產生 數字跳動，表示電壓已經驅使電流產生作用n 3、檢測 n根據兩種磁鐵與三種線圈圈數及兩種線圈 直徑，檢測其發電情形；發現磁力大、圈 數多及線圈直徑適當時，產生電壓電流愈 強。n四、 探討市面上利用動力發電的器材：如手搖動 力電燈、氣壓水力發電機等。n 充滿商機而且又順應環保趨勢，是值得投資的 一個面向。n例如迷你風力發電機，為手機充電的環保創意設 計；2007 年在英國舉行的格拉斯頓伯里音樂節， 一家無線電提供商 Orange Wind Generator 委託 設計的迷你風力發電機，螺旋葉片直徑為 30 公分 ，重量僅 150 公克，體
9、積小足以放進手提包裡， 攜帶十分方便，適合外出臨時要充電時的替代能 源新選擇。n也有商家提出環保隨來電，除改良傳統發電機 的缺點外，更將發電機輕巧化以融入生活中， 藉以取代隨身電器對電池的依賴，並提供一個 輕巧、便宜且無碳的隨身永續電源，以期達到 科技生活更環保，環保生活更便利。n手腕球不僅可以訓練手腕關節，又能發電使Led 燈發亮，增添生活創意與樂趣。n又如市面有完全免電池免手搖免太陽能復古式 自行車輪發電電燈：標榜超綠色環保減碳完全 零污染、安裝簡單DIY者最愛、再也不用換電池 !又激發消費者一次購買慾！陸、討論n一、電生磁，西元1819年，厄斯特在授課 時，偶然地將一通有直流電的導線，靠
10、近 一可以自由轉動的磁針，結果磁針竟然發 生偏轉。他將電流反向流動，磁針也隨著 電流變化偏轉方向。說明了，在一載流導 線的周圍有磁場存在。且磁場方向和電流 方向有極密切的關係。n二、1831年，英國科學家法拉第就問了這個問 題磁可以產生電嗎？，終於讓他發現：如 果在線圈中間有一磁埸，原先是沒有電流的線 圈，會因為線圈內的磁力變化而產生感應電流 。也因為這一個重大的發現，製造了人類史上 第一部發電機。 n磁場變化 產生感應電流n1.磁鐵運動 1.固定線圈纏繞方向n2.線圈運動 2.運用電刷固定電流輸 出方向n三、冷次定律n西元1834年德國科學家冷次在提出冷次定 律，來解釋決定感應電流的方向：不
11、同的 磁極（N或S極）進出線圈時，感應電流 的方向。線圈內磁埸發生變化時，線圈會 感應而產生感應電流，此感應電流在線圈 中產生磁埸，以抗拒原來磁埸的變化。這 樣的反應會使得線圈產生感應電流，也因 此有感應電動勢（電壓）產生。n四、電磁感應(Electromagnetic induction)現象指 的是放在變化磁通量中的導體上會產生電動勢。 由此產生的電動勢稱為感應電動勢或感生電動勢 ，若代替迴路閉合，則該電動勢會驅使電子流動 ，形成感應電流（感生電流）。n麥可法拉第是一般被認定為於1831年發現了感應 現象的人，雖然Francesco Zantedeschi1829年的 工作可能對此有所預見
12、。法拉第發現產生在閉合 迴路上的電動勢(electromotive force,簡稱EMF)和 通過任何該路徑所包圍的曲面上磁通量的變化率 成正比，這意味著當通過導體所包圍的曲面的磁 通量變化時電流會在任何閉合導體內流動。這適 用於當場本身變化時或者導體在場內運動時。n電磁感應是發電機、感應馬達、變壓器和 大部分其他電力設備的操作的基礎。電磁 感應原理用於很多設備和系統，包括:感 應馬達、發電機 、變壓器 、充電電池的 無接觸充電、感應鐵架的電爐 、感應焊 接 、電感器 、電磁成型(電磁鑄造， eletromagnetic forming) 、磁場計 。就是 使磁力線數目改變，線圈產生感應電流
13、， 利用磁通量變化而產生電流的現象。 柒、結論n電動機俗稱馬達（MOTOR），被廣泛運用 於各種電器用品間，能將電能轉換為機械 能，以驅動機械作旋轉運動、振動或直線 運動，作直線運動的馬達稱為線型馬達（ LINEAR MOTOR），適用於半導體工業、 自動化工業、工具機、產業機器及儀器工 業等，而作旋轉運動的馬達，其應用則遍 及各種行業、辦公室、家庭等，生活週遭 幾乎無所不在。n因為線圈內的磁力變化而產生感應電流，也 因為發現將動能改變磁力線數目及磁通量產 生感應電流電能，製造了人類史上第一 部發電機。人類文明生活因為有電器化的產 品變得更方便，幾乎完全歸功電動機馬達 及發電機的發明製作。小型
14、發電機產品因 便利性高，已經經過創意設計變成廣泛性的 商品。在國中教學中可以經由本次簡易發電 機製作過程中，知道要增強其工作效率提高 電壓電流，必須要增加齒輪組設計。另外尚 可引導學生認識目前市面上小型發電機商品 ，如手搖、風力、水力系列等，進而了解其 教育性創意性及趣味性，有助推廣大眾科學 觀念。捌、參考資料及其他n自然與科技 n奇摩知識+nhttp:/ 1405101520019nhttp:/ on?qid=7008011402436nhttp:/content.edu.tw/senior/life_tech/tc_t2/ener age/eng-ref.htmnhttp:/content.edu.tw/primary/nature/ks_rw/ghq /class/goben/goben12_03/index12-03.htm簡介完畢 謝謝指導！ 謝謝您的聆聽
