探讨电磁铁装置中线圈缠绕的形状与磁力大小之关系

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1、中華民國第49屆中小學科學展覽會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：小五吳舒婷林鈺珅小四楊美荷陳河開小四康維真小五蕭沛函小五吳季庭關鍵詞：電磁鐵、磁力大小探討電磁鐵裝置中線圈纏繞的形狀與磁力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，其線圈纏繞的形狀與電磁鐵磁力之關係。實驗小組利用自行設計之實驗設備操作實驗，自製4種外圍周長相同、但形狀不同的中空柱體，分別以相同長度之導線纏繞

2、相同的圈數做成各式電磁鐵，再利用砝碼及迴紋針做為測量磁力之工具，得到「相同線圈數之情形下，所繞的線圈之形狀愈靠近圓形者，其產生的磁力愈強」之結論。實驗小組並針對線圈纏繞之中空管的粗細大小對磁力的影響提出現象的探討，得到「磁力的大小與中空管的粗細並無直接關聯，透過電阻與電流的測量，通過線圈之電流大小才是影響磁力最重要的因素」之另一結論。最後，實驗小組利用穩定之電源供應控制，設計一嚴謹之操作步驟，以維持實驗結果之穩定性。最後針對電磁鐵各種變因與磁力的影響，提出了現象的觀察心得。壹、研究動機在自然生活與科

3、技課裡頭，「電磁作用」單元內容提到通電的線圈可以產生磁力，課本製作的電磁鐵所產生的磁力強弱主要受到二個因素影響：1.電池的串聯數量；2.線圈數的多寡。去年的學長姊曾經以此為主題做過類似的科學實驗參加科展，並且得到「相同線圈數之情形下，導線曲率愈大者(纏繞的吸管愈細者)，其產生的磁力愈強」之結論。但我們對於這樣的結論感到懷疑！因為將線圈纏繞於不同粗細的吸管中，雖然纏繞圈數的變因受到控制，但是對於線圈所纏繞的長度並未受到控制，因此所得到以愈細的吸管纏繞線圈所產生的磁力愈大的結論可能是有問題的。有了去年學

4、長姊的經驗做知識，影響磁力大小的因素除了電池串聯數量與線圈數多寡以外，在整個實驗裝置及過程中還包含了什麼因素？為此，我們在班上成立了科展小組，並進行熱烈的討論，最後提出假設：電磁鐵的磁力大小可能與線圈纏繞的截面積有關，但必須將線圈的長度予以固定。為了驗證假設，我們設計並操作了許多實驗，製作了相同的外圍周長、但不同形狀中空角柱（正三角柱、正四角柱、正六角柱、圓柱）做為變因的操控，希望能夠發現線圈環繞不同形狀之角柱與磁力大小的關係。貳、研究目的一、探討電磁鐵線圈導線所纏繞形狀對磁力的影響。二、分析電磁鐵

5、中影響磁力之因素。三、學會設計科學實驗對變因的控制觀念及方法。四、培養「大膽假設、小心求證」的科學研究態度與方法。1參、研究設備及器材名稱及樣式照片數量中空角柱正三角柱、正四角柱、正六角柱、(纏繞1圈周長2.4cm)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3鐵棒(10cm；2cm)9根2名稱及樣式照片數量迴紋針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、研究過程及方法為了觀察電磁鐵線圈導線所纏繞的截面積對磁力的影響

6、，我們設計了4個活動，做為逐步觀察產生磁力的影響的實驗步驟。一、活動一：製作各種形狀中空角柱並計算底面積操作方法：取繞行1圈總長2.4cm、4.8cm、6cm的長度，利用透明投影片製作出正三角柱、正四角柱、正六角柱、圓柱體，並計算底面積。二、活動2：變因及實驗流程的控制操作方法：將鐵芯(電磁鐵中的鐵棒)材質及長度；電源供應器；漆包線的材質；導線圍繞的圈數列為控制變因，討論將這些變因保持不變之辦法，建立本實驗之標準操作流程。三、活動3：探討測量磁力的設計裝置與磁力的測量物操作方法：探討衡量電磁鐵產生磁

7、力後判斷磁力強弱的方式與測量磁力的工具，並設計方便操作的實驗裝置來操作實驗。四、活動4：比較纏繞在不同角柱之導線所形成之電磁鐵所產生的磁力關係操作方法：分別以不同粗細之正三角柱、正四角柱、正六角柱、圓柱為材枓，為其繞上120圈的漆包線，利用本實驗裝置在通電後開始測量磁力，最後並繪製出導線纏繞形狀與磁力的關係圖。為了講求結果的可信度，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3與最低的2次，從剩餘之5次數據中觀察發現。五、活動5：比較相同長度、但纏繞在不同粗細圓柱之導線所產生

8、的磁力關係操作方法：取相同長度的導線3條，將其各自繞在不同粗細的圓柱上，觀察所產生的磁力大小關係。伍、研究結果一、角柱的製作與底面積的測量為了讓纏繞每一種角柱使用相同長度的漆包線，我們取3、4、6的最小公倍數12做為製作角柱的基礎，考量角柱中能夠插入鐵棒為原則，所製作的角柱並不能太細，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)；正六角柱(每邊長0.4cm、0.8cm)；圓柱(周長2