尖端放電和離子推進器小製作
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在許多科普著作和中小學教科書中,常提及避雷針,並簡單介紹其原理——尖端放電。但尖端放電的現象其實並不容易解釋清楚。簡單而言,導體的尖端由於電力線集中,電場較強,附近的中性空氣分子受到極化乃至於電離,如果導體尖端帶正電,空氣分子即因正電尖端帶走其電子而成為正離子,此時正離子與正電尖端互斥,而加速離開,這些正離子同時帶動空氣流動,並不斷使填補至正極尖端附近的空氣電離,重複進行此過程。造成的效果就是正電導體尖端附近的空氣源源不斷產生正離子;反之,如果導體尖端帶負電,強電場亦能使尖端附近的空氣分子電離,負離子受斥離開,亦產生帶動空氣流動的效果。這就是所謂的尖端放電的大概情形。
雖然中小學生都知道的尖端放電現象,似乎並非很艱深的學理,但在大氣中運作的新型離子推進器,卻主要是利用尖端放電的原理。就像靜電風車(ElectricWhirl)產生推力一樣,離子推進器不過多加了另一電極,使推力更大而已。
圖A
圖A為簡易離子推進器【注一】之示意圖:其中,木架上方細金屬絲與下方裙狀鋁箔相距
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這具簡易離子推進器不難直觀加以理解,不妨打個比方說明,正離子就好似船槳,電場好似划船者的手,手握船槳向後撥動水而使船向前,電場吸引離子向後撥動空氣,亦即把離子想成是向後(下)撥動空氣的槳,使離子推進器受向前(上)之力。
不過這種類似直升機滯空演示的方法,用了三根釣魚線栓住離子推進器,使離子推進器系空滯留,不致於飛走。演示此推進器運動時的特性較受限制。
注:原文為繁體,本站釋出時未轉譯,但為方便讀者閱讀,直接將繁體轉為簡體。 [1][2][3] 周鑑恆博士專欄 本文因此首創超輕型軌道車,利用這款推進器作為動力,動態演示推進器的功能和特性。材料如下: 一、有小孔的珠珠,近似球形者較佳,一般兒童可用線穿過其中之孔,而串成項鍊或手鍊玩具的小塑料珠珠即可; 二、30000伏特直流電源(數毫安培的輸出電流即可); 三、珍珠板若干塊; 四、直徑 五、巴沙木條(模型玩具店或大型釣具店找得到); 六、廚房用鋁箔(就是普通用來烹煮食物的鋁箔); 七、用來絕緣的保麗龍板(厚 八、直徑 九、 十、截面積0.4× 一、先將pE棒車出四個直徑 二、以長 三、截面積0.4× 四、割一塊厚 五、將四個車輪(凸緣在內側)裝在輪軸上,並以有小孔的珠珠限制車輪位置,使兩輪跨距不得小於軌道寬度,以免車行時脫軌。車身的部分即已完成。 六、用美工刀削出長 七、強力膠乾燥木架會變得比較堅固,先在木架後方用強力膠黏上剪好的鋁箔(長 八、把木架框框垂直用AB膠黏在車身上,亦即木架框框垂直地面,框框上的鋁箔平行車行方向,細金屬絲在前方,並垂直地面。車兩側各安裝用鋁箔製成集電靴(改用銅箔更佳,所謂集電靴就是簡單的長條形鋁箔,惟長度足以從車上觸及鋁軌),輕輕接觸下方軌道,一邊的集電靴使鋁軌和車上推進器的細金屬絲導通,另一邊的集電靴使鋁軌和車上推進器的鋁箔導通。即完成直軌離子推進車。 一、將pE棒用小型車床,車出四個直徑 二、截面積0.1× 三、這項步驟和第二步驟都要儘可能精密。配合圓型軌道,車身也設計成圓弧形,圓弧形成的圓和圓形軌道為同心圓,經仔細計算車身兩側圓弧之半徑,繪妥圓弧後,割一塊厚 四、將四個車輪(凸緣在內側)裝在輪軸上,並以有小孔的珠珠限制車輪位置,使兩輪跨距不小於軌道寬度,否則車行時會脫軌。 五、只取圖A三角形簡易離子推進器的三分之二作為推進器。還是利用巴沙木條、細金屬絲和鋁箔等製成V形的離子推進器。 六、把離子推進器安裝在車上,車兩側各用鋁箔(改用銅箔更佳)製成集電靴,輕輕接觸下方軌道,兩集電靴分別接通離子推進器的金屬絲和鋁箔。即完成圓軌離子推進車。 在高電壓時,許多平常時候不導電的東西,都或多或少會發生漏電的現象,例如木材,因常會受潮,高電壓時絕緣的效果很差。所以要用玻璃板、玻璃杯(瓶)和保麗龍板,架設各導線,使各導線絕緣,使不致於漏電。30000伏特直流電源輸出接在鋁製軌道上,圓軌離子推進車即快速繞行圓形軌道,周而復始。調整直線軌道之坡度,直軌離子推進車可以爬坡,可概估靜止時離子推進器之推力,亦可觀察到運動中之離子推進器推力並未明顯減少。 一、警告:高壓電源須小心操作,避免電殛。實驗場所宜通風整潔,不可有揮發性易燃物。參見周鑑恆,科學月刊2002年9月,奇異的電漿推進器,798–800頁。 責編:唐軍毅
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