我們都知道銅是電和熱的良導體,因此在生活中有很多應用,而將一塊圓形的磁鐵放入銅管中,磁鐵下降的速度就會變慢,難道是因為時間暫停了嗎?

 

X博士摘要說明】

  1. 探討磁鐵電梯在金屬管中落下時的運動方式。
  2. 磁緩衝機、磁浮升降梯的設計。

 

四十四國中物理科作品

題目:磁鐵在非鐵金屬管中的磁浮現象與應用

作者:新竹市立光武國民中學的同學們

 

【摘要(原文)

我們選擇銅、鋁兩種金屬管探討不同強度的磁鐵在金屬管中作自由落體時感應電流與磁鐵落下速度的變化關係。最後利用磁鐵、鋁管、定滑輪、砝碼組及投影片捲成的電梯設計「磁浮升降梯」、「磁緩衝機」可以在沒有電力的情況下將升降梯的速度控制在 0.18 公尺/秒的安全速度,及磁緩衝機的設計可使蛋由 4 公尺高落下卻完好如初不會破裂。

 

X博士步驟說明】

準備四種不同磁場強度的磁鐵來進行實驗,並將他們命名為B1B2B3B4(對照組)

B1磁場強度為4870G(高斯)

B2磁場強度為1406G(高斯)

B3磁場強度為42.4G(高斯)

B4磁場強度為0G(高斯,為對照組)

往後的實驗數據將用這四個代號命名。

 

●實驗一:測量不同厚度的銅管(1公尺),磁鐵B1~B4自由落體所需要的時間

 投影片2  

很明顯地把銅管加粗,感應磁場會變強,使得下落的加速度變小。

而所謂的感應磁場是因為移動磁鐵的時候,我們改變了磁場,而改變的磁場會產生一個感應電流,同時也使銅管產生了感應電場,即電壓。而變化的電場產生了磁場,這個磁場正好和磁鐵的磁場方向相反,排斥磁鐵磁場。

 

●實驗二:測量厚銅管和厚鋁管(1公尺),磁鐵B1~B4自由落體所需要的時間

 投影片3  

因為銅管的導電性比較好,產生的感應磁場比鋁管大。

 

實驗三:測量不同長度的厚銅管,磁鐵B1~B4自由落體所需要的時間

 投影片4  

用移動的距離/時間=速度,發現 B1 磁鐵而言,其落下的平均速度分別為 0.234 0.2310.242m/s,所以長度並不會影響下落的平均速度。故可以推論在足夠的磁場強度與適當的金屬管厚度的配合下,磁鐵在管中落下的方式為等速度運動。

 

實驗四:測量不同缺口的鋁管,磁鐵B1~B4自由落體所需要的時間

 投影片5  

從對照組B4B1來看,發現缺口改變之後,還是有產生感應電流,可見金屬管的感應電流與線圈的感應電流兩者間的流動方式並不相同,線圈的感應電流是當導線是斷路時就不能產生電流的現象,而金屬管可以視為無限多個金屬片堆疊形成,如同電磁爐的原理一樣,每個金屬薄片上都可以有許多微小的「感應渦電流」,所以缺口並不會影響感應電流的產生。

 

●實驗五:設計可以自由上下活動的電梯!!!

一般住家電梯的速度大約是0.2 /秒,想要使用磁鐵與法碼電梯的重量差來製作出安全上下的電梯。

 投影片6  

由我們設計的磁浮升降電梯,當砝碼電梯的重量在磁鐵兩倍以下時,電梯便可以安全下降,速度大約是0.2 /秒以下,跟一般電梯的速度一樣,接著利用砝碼來控制電梯的上升與下降,當電梯比磁鐵輕,就可以上升。如此一來,就是一個「無電力電梯」裝置。

 

數據分析與結論

金屬管的厚度、導電性,會影響感應電流的大小。厚度大,導電性佳,感應電流就越大。而感應電流不會因為有缺口就不見,原因是金屬管中的感應電流是以「渦電流」的流動方式存在。最後從自製電梯發現磁鐵有緩降能力,甚至連兩層樓高的鳥蛋丟落入 20 公分高 10mm 厚的鋁金屬管再著地,都不會破。而是否能應用在生活中還需要進一步探討。

 

以下是評審給的評語

 投影片7  

X博士評語】

磁鐵可以讓速度變慢,也可以讓速度變快。例如 : 磁浮列車是利用磁力的相吸或相斥,使得火車能在跑道上快速地前進,最快甚至可以到500 km/h的速度,往返台北和屏東大概不到1小時。而磁鐵也有讓速度變緩的功能,可以應用在小型緩降機、電梯,如果能在生活中加以改良,甚至會比一般的電梯更為安全,因為不會有因為斷電而導致電梯停擺的問題,利用磁鐵的感應電流,在未來有更多的發展性。