電磁與能量 / 馬達與發電機
馬達與發電機：通電會轉，轉動能發電？
22 步，先拆開部件，再以模型與平面圖追蹤電流、磁場、受力與力矩，親手比較兩種能量轉換。
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通電會轉，轉動也能發電
這是一台永磁式有刷直流馬達的教學模型。先旋轉視角看清外觀，再拆開外殼，找出讓轉軸動起來的部件。
拖曳模型換個角度，或按「拆開構造」。
馬達與發電機學習重點與資料
馬達讓通電線圈在磁場中受力轉動，把電能轉成動能；發電機則由外力轉動線圈，讓穿過線圈的磁通量改變，產生感應電壓。同一組主要構造，可以示範這兩種能量轉換。
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學習範圍：國中電磁學；有刷直流馬達與單線圈發電機示意。
國中重點與高中延伸
- 國中重點
- 電流產生磁場、通電導線受力、力矩與電磁感應；馬達和發電機的能量流向相反。
- 高中延伸
- 延伸比較載流導線磁力、力臂與力矩，以及線圈磁通量和感應電動勢。公式的角度與正方向需先定義。
- 平面圖看什麼？
- 把線圈轉成剖面點叉圖，對照電流、磁場及受力，再分開觀察換向接線與磁通量變化。
學習範圍參照自然科學領域正式課程綱要，搭配本頁的器材應用。高中延伸不等於所有高中學生的必修範圍；各校與版本的授課順序可能不同。
重點問答
- 線圈受到方向相反的力，為什麼還能轉動？
磁場中的兩側導線流過相反方向的電流，因此受力方向相反。當兩個力的作用線不重合時，能一起造成轉動。力臂 d 是轉軸到各力作用線的垂直距離，兩側共同形成力矩；只看合力不足以判斷會不會轉。 〔來源 1〕
- 轉動線圈時，受力與力矩都會改變嗎？
本頁馬達模式採固定電流與均勻磁場，兩條長邊始終垂直磁場，因此通電時受力 F＝BIL 大小不隨轉角改變，改變的是力臂與力矩。換向器暫斷時受力歸零。發電模式的感應電流會隨角度與轉速改變，受力箭頭也依電流大小成比例縮放。 〔來源 1〕
- 換向器與電刷各有什麼作用？
電刷固定在外側，與旋轉的換向器接觸，讓外部電路連接線圈。換向器由互相絕緣的兩片金屬環組成；線圈每轉半圈，接線方向交換，讓馬達的轉動方向保持一致。發電時，它把線圈內交替改變方向的感應電壓，轉成外部同方向、大小起伏的輸出。 〔來源 1〕
- 磁鐵一直存在，為什麼停止手轉後就不再發電？
這個固定磁鐵模型需要轉動線圈，讓穿過線圈的磁通量隨時間改變，才會產生感應電壓。停止轉動後，磁通量不再改變，感應電壓降為零。接上負載時，手轉需要持續輸入能量，不能靠磁鐵一直免費發電。 〔來源 2〕
- 磁通量越大，發電機的感應電壓就越大嗎？
感應電動勢取決於磁通量改變多快，不只看磁通量大小。線圈停在固定磁場中，即使磁通量不為零，仍沒有持續感應電動勢。轉得更快時，同一位置的磁通量變化通常更快；發電所需能量來自轉動線圈的外力做功。 〔來源 2〕
- 馬達受力不變，為什麼力矩仍會改變？
本模型固定電流與均勻磁場，長邊始終垂直磁場，所以通電時 F＝BIℓ 的大小固定。力臂 d 是轉軸到力作用線的垂直距離；線圈轉動時 d 改變，兩側共同形成的力矩大小為 2Fd。死點的力臂為零，本模型的換向器也暫時斷流。 〔來源 3〕
| 比較項目 | 通電轉動：馬達 | 手轉發電：發電機 |
|---|---|---|
| 輸入 | 外部電源供應電能 | 手或其他動力輸入機械能 |
| 主要現象 | 通電導線在磁場中受力 | 磁通量改變產生感應電壓 |
| 輸出 | 轉軸的機械能；部分能量轉成熱 | 電能；部分能量轉成熱 |
| 換向器的作用 | 每半圈交換線圈接線，維持轉動方向 | 使外部輸出保持同方向，但大小仍起伏 |
這裡比較的是同一個有刷、永久磁鐵、單線圈模型。真實馬達與發電機還有交流、無刷等多種構造。
模型的適用條件
本頁以固定永久磁鐵、均勻磁場、單一矩形線圈與分裂環換向器示意，馬達模式指定固定電流，箭頭表示傳統電流方向。力臂以線圈半徑為基準，力矩以固定電流下最大值為基準。發電模式的受力箭頭固定採 1/8 縮尺，同模式內箭長與受力成正比。讀數為相對值，非特定產品規格。單線圈在特定角度有轉動死點，連續轉動示範以慣性帶過；實際馬達常使用多組線圈改善啟動與轉動。模型未求解完整摩擦、電阻與反電動勢，不作為工程設計依據。