利用發光二極體演示電磁感應科學小實驗

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有項非常簡易的實驗常被用來演示電磁感應。此實驗只需：長度約150公分的金屬圓管（銅管和鋁管均可，惟鐵製者不宜）；直徑略小於金屬圓管內徑，延軸向充磁的圓柱狀稀土強磁；以及外形一模一樣，重量相同的無磁性圓柱體。實驗時，垂直懸吊金屬管，先將無磁性之圓柱體置於金屬管中，任其無拘墜落，此無磁性圓柱體經重力加速，迅即穿過金屬管；但圓柱狀稀土強磁於金屬管中下墜時，在金屬管壁靠近磁鐵兩極處，會產生較明顯但方向相反的感應電流，而所有的感應電流，均會使磁鐵受向上之力，於是磁鐵迅即達到終端速度，緩緩降落。

圓柱狀磁鐵和無磁性之圓柱體通過金屬圓管所費時間差異之大，無須使用任何儀器即能清楚分辨，令人驚奇，所用之器材又簡單明瞭，更鮮明地突顯實驗之主題，很容易引起學生之注意和好奇，並使學生留下深刻印象。於是這項實驗在教學上頗受重視，有不少改進的實驗方式被提出，例如：利用“力偵測器”配合計算機測量金屬管所受之力隨時間變化的情形，以定量測量金屬管壁內的感應電流和磁鐵之間的互動作用力；或以輕細繩索繫住磁鐵，將輕細繩索繞過滑輪，當磁鐵落下時，根據滑輪轉速即可測知磁鐵速度隨時間變化的情形；或從管口取景，藉攝影器材和適當之照明裝置，在與其聯機的電視中“轉播”磁鐵在金屬管中憑虛凌空慢慢落下的景象1。

美中不足的是，感應電流出現在金屬管壁鄰近不斷下墜的磁鐵兩極處，不容易設計適當的裝置加以偵測。為此，我們將兩導通方向相反的發光二極體並聯，再將其串接箍在壓克力圓管外之感應線圈1。學生可以目睹，磁鐵在透明壓克力管中墜落而通過感應線圈時，並聯的兩發光二極體各自分別發光，非但顯示感應電流之發生，且顯示感應電流之方向；在此同時，學生握持壓克力管，也可感覺到感應電流和磁鐵之間的互動作用力，如下圖一所示。

圖一，原始裝置之實物攝影，只用兩個導通方向相反的發光二極體並聯

注：原文為繁體，本站釋出時未翻譯，但為方便讀者閱讀，直接將繁體轉為簡體。

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周鑑恆博士專欄

這項實驗裝置還可再改良：（一）以導通方向相反的方式並聯的發光二極體數目可以增加，圖二為其電路之示意圖。只要線圈之電阻夠小，在稀土強磁運動速度不快的實驗要求下（若磁鐵速度太快，肉眼不易分辨兩組發光二極體發光之先後），即能造成發光二極體兩端約２伏特之電位差，則發光二極體之數目可以酌增，圖三所示之實物，每組發光二極體多達四個，實驗時大幅增加此裝置之視覺效果。（二）因為感應線圈串接發光二極體之總電阻，遠大於鋁管或銅管之管壁，雖然以手握持壓克力管時，確能感覺到感應電流和磁鐵之間的互動作用力，惟此力尚不足以明顯阻緩磁鐵於壓克力管中垂直下墜之速度。圖四之設計，利用較磁鐵稍輕的配重，使磁鐵通過感應線圈時所產生的感應電流，可以明顯減緩磁鐵落下之速度。對比感應線圈斷路（即無感應電流）時磁鐵落下之速度，可彰顯磁剎車之效應。此外，如圖五，簡單斜置壓克力圓管，亦有相同之效果。