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有趣的靜電
103春季 假日科學廣場 主講:周鑑恆 活動時間:2014/05/17(六) 歡迎聯絡我們:ncusciedu@g.ncu.edu.tw(中央大學科學教育中心 )
 
 
這周(2014年5月17日)的「假日科學廣場」,請來萬能科技大學的周鑑恆教授為大家講解跟「電」有關的原理。周鑑恆致力於研究史特林引擎與新興能源領域多年,於2012年透過「海浪發電」獲得英國發明展的白金獎肯定,更於2013年以設計蒸氣機和史特林引擎教具獲得莫斯科阿基米德發明展的金牌,除此之外,他在北投地熱谷中架設以史特林引擎發電的設計,更登上了Discovery Eco Taiwan節目。

活動回顧,哇!我也想玩

其實周鑑恆已經在假日科學廣場主講過多項主題,從他最拿手的史特林引擎到走馬天燈,都讓許多參加過的小朋友印象深刻,而沒參加過的,則是強烈要求再開課程;這次的活動主題開始之前,他先播放了在課堂中製作的走馬天燈影片,由於走馬天燈是使用熱對流的原理上升,利用在天燈外側加上用以擾流的塑膠板,使得天燈不會上升,而是在一定的高度旋轉,所以被稱為「走馬天燈」。

靜電?

緊接著周鑑恆進入今天的主題「靜電」,他介紹了產生高壓靜電的方法,第一種是「開爾文滴水起電機」,利用「感應起電」的原理,將上方連通的水流,分別通過右方帶正電的金屬環、及左方帶負電的金屬環滴落至下方的集水盒中,由於水滴通過帶正電金屬環後帶負電,通過帶負電金屬環後帶正電,因此右方集水盒儲存負電、左方集水盒儲存正電,將右方集水盒用導線連接左方的金屬環,左方集水盒用導線連接右方金屬環,集水盒儲存的電量便會往金屬環傳遞,使得上方金屬環可以維持其所帶的電量。這時有人舉手問:「那為什麼不能將水流分開成左右兩邊呢?」周鑑恆回答道:「如果左右兩邊的水流並沒有接通,帶電的水滴滴落後,左右兩邊尚未滴落的水就會帶電,會妨礙水滴進一步感應帶電」

他所介紹的第二種方法,便是「韋氏起電機(Wimshurst machine)」,韋氏起電機的原理與水滴相同,都是利用感應起電的方式累積電量,比較不同的是,若使用韋氏起電機發電,則它可以承受的電壓較高,不會因為累積過多的電壓而失效。

第三種方法則是范德格拉夫(Van de Graaff)起電機,它利用「摩擦生電」的方式,由於每個物體得到電子的傾向不同,當我們把容易丟掉電子和易獲得電子的兩物體相互摩擦﹝接觸﹞,則會分別帶正電以及負電,再利用高斯定律中提及:「當電荷進入金屬球殼內,則電荷分布到球殼表面」,理論上就可以利用機械皮帶傳動的方法,不斷地增加金屬球殼上累積的電荷。

緊接著周鑑恆舉了許多在日常生活中曾經發生過的現象當作例子,例如知名的「聖艾爾摩之火(St. Elmo's Fire)」,便是當航海時遇到雷雨,船桅的尖端會放電之後使周遭的空氣被離子化,而觀者所看到的藍白色冷光,實際則是溫度不高的「電漿」。第二個例子則是在20世紀初期用來承載乘客的飛船,「興登堡事件」,此事件是由於飛船內部裝有氫氣的氣囊,被飛船內部斷裂的繩索打破,使得內部填充的氫氣外洩。而因為長途飛行,外部蒙皮已經帶有靜電,當飛船內部的金屬支架,被飛船船蒙接地後,金屬支架與不容易導電的外部蒙皮,產生極大電壓差,因而發生電伏,點燃了外洩氫氣,因而發生爆炸,這次的爆炸也宣告了飛船時代的結束。

除了這些較大的事故之外,一般生活中靜電也有許多的應用,像是瓦斯爐的點燃,就是利用壓電晶面產生高壓,高壓下產生的靜電會點燃瓦斯,產生火焰。另一種應用則是在靜電除塵上,利用靜電將灰塵吸附,達到除塵的效果。【原理介紹

動手做富蘭克林轉盤

在製作今天的主題「富蘭克林輪」之前,周鑑恆先邀請多位五歲以下的小朋友上台被「電電看」,他先示範旋轉「摩擦起電轉盤」,再將手指觸摸轉盤上的集電盤,讓小朋友們感受輕微觸電的感覺,但或許是年紀太小,即使現場明明有聽到手與電接觸時產生的「劈啪」聲,很多小朋友仍說自己沒有被電到,也讓在場的大人們笑成一團,而其他小朋友也躍躍欲試被「電電看」的滋味,所以紛紛要求在下課前要被電一下。其實摩擦起電轉輪也可以用於今天製作的富蘭克林輪上,產生的靜電會使轉輪轉動,在家中操作時,也可以用尼龍布或羊毛布摩擦PVC管達到同樣的效果。

接著就是富蘭克林輪的製作了,先準備一塊長方形的珍珠板,在中央的位置以黏土固定我們用來當作轉軸的「筆桿」,再將要用來作為轉輪的「塑膠杯」底部,以大頭針刺入,讓大頭針的尖端可以放置在筆桿上方的凹陷處,然後在塑膠杯外側,對稱貼上準備好的銀色膠帶,膠帶的功能是為了讓塑膠杯表面可以有規律凹凸起伏,讓電荷累積在突起的尖端處,也可以使用鋁箔代替,由於鋁箔具有導電性,轉輪完成之後的旋轉也會更順暢。

接著就是在紙板上固定電刷,電刷前端除了用錫箔貼紙製作之外,也可以用家中常見的錫箔紙製作,但要記得錫箔紙要用平整;電刷的製作是用剪成長條的西卡紙對折,在對折處的外面用長形的錫箔橫向貼合,錫箔貼紙的對折處會超出在西卡紙外一個約3 X 4的長方形,再將前端部分剪成鋸齒狀,便完成了一個電刷。這次的作品需要左右各一個電刷,黏貼在塑膠杯兩側,黏貼時讓鋸齒狀部分盡可能地靠近塑膠杯,但不可以碰到塑膠杯,而前端的鋸齒狀部分要朝同一個順時針或是逆時針方向,當以上步驟都做好後,就完成了這次的富蘭克林輪製作了。

在富蘭克林輪操作時,便是將乾布與PVC管放置於電刷外側摩擦,觀察中間塑膠杯的轉動,而周鑑恆也提供一個摩擦PVC管的小訣竅,當我們一隻手固定乾布的位置,另一手將PVC管的前端伸到電刷外側,那麼摩擦起電產生的電荷就會直接接近電刷,使電刷產生電荷﹝電刷上的電荷和PVC管的電荷相反﹞,那麼富蘭克林轉輪也可以轉得很成功。【動手操作

校園特派記者:蔡宇安


【假日科學廣場】是由中央大學科學教育中心與物理系共同主辦的科普活動,感謝科技部及中央大學補助經費。歡迎大家一同來~~親身體驗科學、創意學習無限~~!
如有任何問題,歡迎聯絡:ncusciedu@gmail.com(中央大學科學教育中心信箱)或
計畫主持人 朱慶琪老師:ccchu@phy.ncu.edu.tw
 
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