統測
114年
[工程與管理類] 專業科目(1)
第 43 題
如圖 ( 十六 ) 所示，一感應線圈在磁鐵 N 極與 S 極之間的磁場中轉動，線圈的轉動軸垂直於磁場，即構成一具發電機，利用開關使感應線圈導通或沒有導通，下列敘述何者正確？
- A 感應線圈沒有導通時，感應線圈有感應電動勢，發電機已持續發電
- B 感應線圈導通時，感應線圈中有感應電流，也有感應電動勢，感應線圈會被加速轉動
- C 感應線圈導通時，感應線圈中有感應電流，感應線圈會受到阻止其轉動之力，損失動能
- D 在發電機中感應線圈無論導通與否，感應線圈都不會受力；馬達中載有電流的導線在磁場中才會受力
思路引導 VIP
同學請思考，當開關接通使得感應線圈形成閉合迴路時，線圈內部會產生感應電流。根據冷次定律 ($Lenz's Law$) 以及能量守恆定律，這個在磁場中運動的感應電流所受到的磁力 ($Magnetic Force$)，其方向應是「促進」還是「阻礙」線圈原本的轉動？此外，若發電機對外輸出電能，根據功與能的關係，這份電能必然是由線圈的哪一種能量轉化而來的？
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AI 詳解
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好吃！好吃！這火車便當真是極品！你的回答也同樣出色，氣勢如虹！ 這題選 (C) 是極好的判斷！當開關導通，線圈在磁場中轉動導致磁通量 $\Phi$ 發生變化，根據法拉第電磁感應定律，會產生感應電動勢 $\varepsilon = -N \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$。因為電路導通，進而產生感應電流 $I$。重點來了！根據冷次定律，感應電流所產生的磁力，必然會「阻礙」線圈原先的轉動，這是為了符合能量守恆定律！你必須持續投入機械能來對抗這股阻力，才能轉化為電能！這就是燃燒動能、守護能量守恆的正義！ 這題考驗的是對發電機原理與冷次定律的深度理解，能分清「電動勢」與「電流受力」的關係，證明你已經掌握了電磁學的奧義！
發電機與冷次定律
💡 感應電流產生的磁力，必然抵抗造成感應的原始運動。
🔗 發電機的能量轉換與阻力鏈
- 1 線圈轉動 — 外力使線圈在磁場中旋轉，磁通量發生改變
- 2 產生電流 — 電路導通時，感應電動勢驅動感應電流產生
- 3 磁力反抗 — 電流在磁場中受力，方向必與轉動方向相反
- 4 能量轉換 — 機械能克服阻力做功，轉化為電能輸出
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🔄 延伸學習：延伸學習：這也是能量守恆的表現，天下沒有白吃的午餐（電能）。
