【電與磁5】馬達與發電機有甚麼分別？

你只要拿一節電池、一塊小磁石和一段銅線，就可以做出一個可以轉動的小裝置。看似神奇，其實背後有一套很簡單的物理邏輯：電流在磁場裏會受到力，適當安排電流方向與磁場方向，便能把電能轉成機械轉動；反過來，轉動磁場或線圈，又能把機械能變成電能。本文用生活化的例子把這些概念拆開，逐步說清楚為甚麼那個小小的線圈會順時針轉、為甚麼大型發電機會把線圈放在外面，以及左右手法則怎樣幫我們把「方向」看得清楚。

基本原理：電流遇上磁場會受力

先把最重要的一句說清楚：當電流（可以想像成許多小小帶電粒子在導線裡流動）處於磁場之中時，導線會感受到一個力，方向由磁場方向和電流方向共同決定。生活化的比喻：把電流想像成流動的水柱，把磁場想像成一陣風。當水柱遇到側風時，水會被吹偏；同樣地，電流在磁場裡會被「推」一下，導線就會受到這個推力。

這個推力是馬達能轉動的關鍵。它不是來自磁鐵單獨的力量，也不是電池單獨的力量，而是兩者互相作用的結果：電池提供電流，磁鐵提供磁場，二者相遇便產生力。有一個常用的手勢法則可以幫我們記方向，下一節會說。

用「左手法則」看懂小小電池馬達的轉向

製作小馬達時，常見的做法是把一段線圈架在磁鐵上方，讓線圈可以自由旋轉；電池把電流送入，線圈某些段有電流向上，另一側有電流向下，磁場上下穿過線圈。為甚麼線圈會轉？因為左右兩邊的導線受到的力方向相反，形成一對扭矩，令線圈轉動。

要判斷力的方向，可以用費林明的左手定律（簡稱左手法則）。它的做法很簡單：伸出左手，三根：食指、中指、大拇指互相垂直。食指指向磁場（從北極指向南極），中指指向電流的方向，則大拇指指向受力的方向（即運動方向）。用這個手勢，你可以把複雜的方向關係變得直觀。

舉一個具體例子：把磁鐵放在線圈下方，磁場在某段是由上向下；如果那段導線的電流由左往右流（中指指向右，食指指向下），大拇指指出的就是那段導線被推的方向。左側導線與右側導線的電流方向相反，所以受力方向也相反，合起來就會產生一個把整個線圈轉動的淨扭矩。從上往下看，就會出現順時針（或逆時針）旋轉，視布置而定。

磁鐵也會導電：為甚麼有些簡單馬達把磁石當作電路一部分？

你可能會問：磁鐵不是磁的材料嗎？怎會導電？事實上，能做永久磁鐵的材料多數是金屬（例如鐵、鎳、鈷），它們同時也能導電。這一點在一些超簡單的示範馬達中被利用：磁鐵放在下方，不但提供磁場，有時還直接成為電路的一部分，讓電流從線圈一側流經磁鐵回到電池。

設計上把磁鐵當作接觸點或回路的一段，有好處也有壞處。好處是結構更簡單，用料少；壞處是效率低、接觸處會有火花或磨損，而且磁場的分佈不一定最佳，導致產生的扭力較弱。實際上，很多更穩定的馬達並不讓電流穿過磁鐵，而是讓電流只在線圈裡流，磁鐵只負責提供磁場。

為甚麼要把線圈放在磁場最強的地方？

馬達的力大小既跟電流大小有關，也跟線圈所處的磁場強度有關。想像你用手推一片風葉：在風大的方位推同樣一幅葉，產生的力會比較大；同樣道理，若把線圈的大部分導線都置於磁力最強的區域，整體扭力會最大。

在簡單的電池+磁鐵示範中，常會看到線圈上下兩段受到的磁場強度不一樣：靠近磁鐵下方那段磁場強，另一段則弱。若處理不當，兩段力甚至可能部分互相抵銷，令整體轉動變弱或不穩。這也是為甚麼真正的馬達會精心設計磁極與線圈位置，盡量把有效線圈都放在強磁區。

發電機與馬達：左右手法則的差別與因果關係

馬達（把電變成機械）與發電機（把機械變成電）看起來很相似，但在因果關係上卻相反。馬達的「原因」是電流和磁場的互動，結果是運動；發電機的「原因」是外力驅動線圈或磁場轉動，結果是產生電流。因此學校通常把它們分別用左手法則（馬達）和右手法則（發電機）來記方向，幫助分清哪一邊是給的、哪一邊是得到的。

更深一層的物理上，兩者其實可以用同一套更基礎的規則（比如右手螺旋定律）來統一說明。但對初學者來說，費林明左右手法則記起來最直觀：遇到「給電要看運動方向？就用左手」；遇到「給運動要看電流方向？就用右手」。重點還是要理解背後的因果：是電驅動出力，還是力驅動出電。

大型發電機的設計權衡：為什麼把線圈放在外面、磁鐵放在中間？

如果你去參觀發電廠，會看到一個常見設計：外圍固定的是大量線圈（定子），內部旋轉的是磁鐵或電磁鐵（轉子）。為甚麼不把線圈放在轉子上？這背後其實是效率與機械便利性的考量：

電壓與線圈匝數：線圈匝數越多，理想上產生的電壓越高。但如果把很多線圈放在旋轉部分，維持電線的連接（例如用滑環或接觸）會很麻煩，容易損耗與故障。
轉動阻力：線圈多了、尺寸大了，想要轉動整個外圈所需的力會變大。相反，把重的、固定的線圈留在外面，轉動內部較輕的磁體，可以用較少的外力驅動（例如蒸汽輪機、風力或水輪機提供的力）。
維護與連接：外面不動的線圈可以直接接到電網，方便冷卻、檢修與絕緣處理；內部磁體轉動，透過軸承承受機械負荷即可。

結果就是在大型發電機中，我們會刻意讓磁場的分佈在旋轉時划過固定線圈，從而持續切割線圈，產生電壓。這樣的安排把機械與電氣問題分開，既省力又可靠。