磁鐵和電磁鐵：看不見的推和拉
你有沒有試過把磁鐵貼在雪櫃上，或在郊野公園遠足時用指南針？在這一課，你會認識磁鐵的兩個磁極、磁鐵會吸引哪些物料、磁力怎樣隨距離改變，以及電流怎樣可以造出磁鐵。你還會製作一個簡單的電磁鐵，測試甚麼因素能令它更強，並看看電磁鐵怎樣在門鈴、回收起重機和高速列車中發揮作用。
怎樣接駁和繪畫電路，可參閱簡單電路一課；電流和電壓，可參閱電流、電壓和電阻一課。
1. 永久磁鐵：兩個磁極，一推一拉
甚麼是永久磁鐵？
永久磁鐵不需要電，也能一直保持磁性。條形磁鐵、馬蹄形磁鐵和雪櫃貼都是永久磁鐵。
北極和南極
每塊磁鐵都有兩端，叫做磁極：北極（N極）和南極（S極）。磁力在磁極最強。把條形磁鐵放進一堆萬字夾中，大部分萬字夾都會吸在兩端附近。
自由懸掛的條形磁鐵會大致指向南北；指向北方的一端就是北極。指南針的指針其實是一塊可以自由轉動的小磁鐵。
磁鐵總是有兩個相反的磁極。把條形磁鐵折成兩半，每一半都各有自己的N極和S極。
你知道嗎？地球就像一塊巨大的磁鐵。由於異極相吸，地理北極附近的磁極其實是一個南磁極！
磁極定律
同極相斥（互相推開）：N極和N極，或S極和S極。
異極相吸（互相吸引）：N極和S極。
口訣：「相同就推開，不同就靠攏。」
怎樣測試磁鐵：磁鐵的兩個磁極都會吸引鐵釘，所以單靠吸引不能分辨鐵釘是不是磁鐵。只有磁鐵才會被另一塊磁鐵排斥，所以排斥才是真正的測試。
磁性物質和非磁性物質
磁性物質會被磁鐵吸引。常見的有鐵、鋼（主要成分是鐵）、鎳和鈷。
口訣：「鐵鋼鎳鈷，磁鐵最愛。」
非磁性物質不會被磁鐵吸引，例如木、塑膠、玻璃、紙，以及很多金屬，例如銅、鋁、金和銀。
常見錯誤：「所有金屬都會被磁鐵吸引。」錯！鋁製的汽水罐不會被吸引，但鋼製的罐頭會。
重點小結：同極相斥，異極相吸。鐵、鋼、鎳和鈷是磁性物質。
2. 磁力：不用接觸也能發揮作用
非接觸力
磁鐵不用接觸萬字夾也能把它吸過來，甚至可以隔着紙或薄薄的桌面吸引它。所以磁力是一種非接觸力，就像重力一樣。
磁場
磁鐵周圍有磁力作用的空間叫做磁場。要顯示磁場的圖案，可以在條形磁鐵上放一張紙，撒上鐵屑，再輕輕敲打紙張。鐵屑會排成由一個磁極伸展到另一個磁極的曲線，並在磁極附近最密集，那裏的磁場最強。
越近越強
物體離磁鐵越近，磁力越強。距離增加時，磁力很快便會減弱。
動手試試：沿着直尺把萬字夾慢慢推向磁鐵。距離遠時，甚麼也沒有發生；到了某個距離，萬字夾會突然跳到磁鐵上。
重點小結：磁力不用接觸也能發揮作用，並會隨距離增加而減弱。
3. 電流的磁效應
有電流的導線就像磁鐵
當電流流過導線時，導線周圍會產生磁場。這就是電流的磁效應。
示範：把指南針放在一條直導線下面，導線連接電池和開關。閉合開關：指針轉動。打開開關：指針擺回原位。把電池反轉，指針便會向另一方向轉動。
你知道嗎？1820年，丹麥科學家奧斯特發現，當附近的導線有電流流過時，指南針的指針會移動。這是電和磁互相關連的第一個清楚證據。
把導線繞成線圈，效果更強
一條直導線周圍的磁場很弱。把導線繞成線圈，每一圈的效果便會加起來。有電流流過的線圈就像一塊條形磁鐵，一端是N極，另一端是S極。把電流反向，兩個磁極便會對調。
重點小結：電流會產生磁場；有電流流過的線圈就像一塊條形磁鐵。
4. 製作簡單的電磁鐵
簡單電磁鐵的結構
電磁鐵是讓電流流過線圈而製成的磁鐵。簡單的電磁鐵有三部分：
1. 用絕緣電線繞成的線圈，例如漆包銅線。絕緣層能令電流沿着每一圈流動，而不會在裸露的線圈互相接觸的地方「抄捷徑」。
2. 鐵芯，例如放在線圈內的大鐵釘。鐵會被磁化，令電磁鐵強得多。鐵容易獲得磁性，也容易失去磁性；如果改用鋼，關掉電源後仍會保留一些磁性。
3. 電池（或電池組）和開關。電池推動電流流過線圈；開關用來開啟和關掉電磁鐵。
開關自如
電磁鐵只在有電流流過時才有磁性。開啟：它會吸起萬字夾。關掉：萬字夾便會掉下。它最大的優點是可以隨時開關，而且強度可以改變。
安全提示：電流長時間流過時，線圈和電池會變熱，所以每次測試之間要關掉電源。
永久磁鐵與電磁鐵的比較
永久磁鐵：一直有磁性；不能關掉；不需要電。
電磁鐵：只在有電流流過時才有磁性；可以開啟和關掉；強度可以改變；需要電。
重點小結：簡單電磁鐵 = 絕緣電線線圈 + 鐵芯 + 電池。它可以開啟和關掉。
5. 重點實驗：怎樣令電磁鐵更強？
影響電磁鐵強度的因素
1. 線圈的匝數 – 匝數越多，電磁鐵越強。
2. 電流的大小 – 電流越大，電磁鐵越強（例如用兩個電池代替一個）。
3. 鐵芯 – 有鐵芯的線圈，比沒有鐵芯或用木、塑膠、鋁做芯的線圈強得多。鐵棒的長度也可能影響電磁鐵的強度，可以用公平測試找出答案（見下文）。
口訣：「三招」– 匝數多、電流大、加鐵芯。
用萬字夾量度強度
我們用電磁鐵能吸起的萬字夾數目來量度它的強度。要用相同的萬字夾：放進去、提起、數一數。
設計公平測試
假說：「線圈的匝數越多，電磁鐵能吸起的萬字夾便越多。」
自變量（改變的）：線圈匝數，例如10、20、30、40匝。
因變量（量度的）：吸起的萬字夾數目。
控制變量（保持不變的）：電流（用相同的電池，並用安培計檢查）、相同的鐵芯、相同的電線和相同的萬字夾。
如果要測試鐵棒的長度，就只改變鐵棒的長度，並保持匝數、電流和萬字夾不變。
步驟
1. 用絕緣電線在鐵釘上繞10匝。
2. 把線圈、電池、開關和安培計串聯起來。
3. 閉合開關，把鐵釘放進萬字夾堆中，提起並數一數。
4. 打開開關。再重複兩次。
5. 改用20、30和40匝重複實驗。
小貼士：每次都用相同總長度的電線，把多出的電線留着不繞，這樣便只有匝數改變。
處理結果
把每次的結果和平均值記錄在表格中。如果某次的數目和其他相差很遠（異常值），就重做那一次。以萬字夾的平均數目對線圈匝數繪畫圖像：匝數增加時，萬字夾數目應該會上升。
常見錯誤：同時改變兩樣東西，例如既增加匝數，又多加一個電池。這樣便不能分辨是哪一個改變令電磁鐵變強。每次只改變一個變量！
重點小結：匝數越多、電流越大、有鐵芯，電磁鐵便越強。每次只測試一個因素，並重複每次量度。
6. 日常生活中的電磁鐵
電門鈴
電門鈴裏有電磁鐵、裝有小錘的軟鐵銜鐵、鈴碗、彈簧和接觸螺絲。
1. 按下門鈴按鈕：電路接通，電流流動，電磁鐵被磁化。
2. 電磁鐵吸引銜鐵，小錘敲打鈴碗：「叮！」
3. 銜鐵離開接觸螺絲，電路斷開，電流停止，電磁鐵失去磁性。
4. 彈簧把銜鐵拉回接觸螺絲，電路再次接通，整個過程不斷重複。
只要你一直按着按鈕，這個過程便會快速重複。口訣：「通電 – 吸引 – 叮 – 斷電 – 彈回 – 再來！」
廢金屬回收起重機
在金屬回收工廠，起重機上裝有一塊巨大的扁平電磁鐵。開啟電源後，它能吊起沉重的廢鐵和廢鋼，例如舊汽車零件。起重機把它們移到目的地後，關掉電流便可以放下它們。它還可以把鐵和鋼從鋁和銅等非磁性金屬中分開。
磁浮列車
磁浮即磁力懸浮。強大的電磁鐵把列車稍稍升離路軌，並推動它前進。由於摩擦力很小，列車行駛得又快又平穩。上海有一條磁浮鐵路，連接浦東國際機場和市區。
其他用途和你的創意
電磁鐵也用於電子門鎖和揚聲器。
發揮創意：電磁鐵能否幫學校把鋼罐和鋁罐分開？試設計你自己的電磁鐵小發明吧！
重點小結：電磁鐵很有用，因為它可以開啟和關掉：門鈴、廢金屬起重機和磁浮列車都靠這一點運作。
重點回顧
1. 磁鐵有北極和南極；磁力在磁極最強。
2. 同極相斥，異極相吸。排斥才是測試磁鐵的真正方法。
3. 鐵、鋼、鎳和鈷是磁性物質；銅、鋁和塑膠不是。
4. 磁力是非接觸力，距離越遠便越弱。
5. 電流會產生磁場：這就是電流的磁效應。
6. 電磁鐵 = 絕緣線圈 + 鐵芯 + 電池。
7. 匝數越多、電流越大、有鐵芯，電磁鐵便越強。
8. 電磁鐵可以開啟和關掉。
做得好！下次聽到門鈴響起，你就會知道裏面有一塊小電磁鐵正在不停地開開關關。