雅各天梯| - 科技大觀園

雅各天梯

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周祥順｜海洋大學光電學研究所

雅各天梯是一個有趣的演示。將兩組金屬線圈套在鐵芯上組成一個變壓器。左邊線圈（主線圈）及右邊線圈（次線圈）的匝數分別為 300 匝及 24000 匝。主線圈接至 220 伏特交流電源，次線圈接至一對號角形金屬棒。打開電源開關，兩支金屬棒底端間產生耀眼的火花。火花沿著金屬棒快速向上爬，像是可愛的小精靈在爬天梯。

雅各天梯是利用電磁感應原理。在「感應點燈」單元中，我們介紹過法拉第定理。依據法拉第定理，通過線圈的磁通量改變時線圈會產生感應電流。主線圈接交流電源，產生隨時間改變的磁場。磁場沿鐵芯傳遞至次線圈。通過次線圈的磁通量隨時間改變，因此次線圈產生感應電流。次線圈匝數為主線圈匝數的 80 倍，因此次線圈兩端的電壓（兩支金屬棒間的電壓）為主線圈電壓的 80 倍（17600 伏特）。兩支金屬棒的底端間距離最近，電場最強。

電場加速空氣中的帶電粒子。高速運動的帶電粒子撞擊空氣分子使空氣分子失去電子成為帶正電的離子。電場加速離子使離子互撞。離子互撞後躍遷至激發態。處於激發態的離子放光回到基態。因此兩支金屬棒的底端之間產生火花，使空氣溫度升高。熱空氣上升，因此火花沿著金屬棒快速向上爬，像是可愛的小精靈在爬天梯。請大家觀察，兩支金屬棒間有幾朵火花？想想看為什麼。

下一個演示是焊接。我們用５匝的粗導線做成次線圈。在次線圈兩端間置入兩片鐵板。打開開關，鐵板產生火花，逐漸鎔化，焊接在一起。焊接也是利用電磁感應原理。主線圈通過交流電使次線圈產生感應電流。次線圈由粗導線製作，電阻很小，因此產生大電流使鐵板鎔化。

資料提供

海洋大學光電科學研究所周祥順教授
E-mail：hschou@mail.ntou.edu.tw

電感應(11) 法拉第(22) 變壓器(2)

雅各天梯

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