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在许多科普著作和中小学教科书中,常提及避雷针,并简单介绍其原理——尖端放电。但尖端放电的现象其实并不容易解释清楚。简单而言,导体的尖端由于电力线集中,电场较强,附近的中性空气分子受到极化乃至于电离,如果导体尖端带正电,空气分子即因正电尖端带走其电子而成为正离子,此时正离子与正电尖端互斥,而加速离开,这些正离子同时带动空气流动,并不断使填补至正极尖端附近的空气电离,重复进行此过程。造成的效果就是正电导体尖端附近的空气源源不断产生正离子;反之,如果导体尖端带负电,强电场亦能使尖端附近的空气分子电离,负离子受斥离开,亦产生带动空气流动的效果。这就是所谓的尖端放电的大概情形。

虽然中小学生都知道的尖端放电现象,似乎并非很艰深的学理,但在大气中运作的新型离子推进器,却主要是利用尖端放电的原理。就像静电风车(Electric Whirl)产生推力一样,离子推进器不过多加了另一电极,使推力更大而已。

尖端放电和离子推进器的实验操作

A

A 为简易离子推进器【注一】之示意图:其中,木架上方细金属丝与下方裙状铝箔相距28 mm。因为细金属丝的半径极小,而铝箔的形状却是薄薄扁扁的一片,细金属丝和铝箔于是形成不对称的电容。铝箔和细金属丝分别接通直流高压电的负极和正极,因为空气稍微比较容易被电离成带正电的正离子,为了尽其可能产生大量的离子,因此上方金属细丝宜接正极,上方细金属丝因为极细小,所以发生尖端放电而游离空气,产生正离子;下方接负极的铝箔,因面积较大,且形状平滑,附近的电场较弱,不易产生负离子。正离子受到电场加速,在浓稠的大气中向铝箔运动,把动量传给空气,产生了作用在离子推进器上的推力,离子推进器随即寂静腾空,煞是神秘,如视频所示。

 

这具简易离子推进器不难直观加以理解,不妨打个比方说明,正离子就好似船桨,电场好似划船者的手,手握船桨向后拨动水而使船向前,电场吸引离子向后拨动空气,亦即把离子想成是向后(下)拨动空气的桨,使离子推进器受向前(上)之力。

不过这种类似直升机滞空演示的方法,用了三根钓鱼线栓住离子推进器,使离子推进器系空滞留,不致于飞走。演示此推进器运动时的特性较受限制。


 

 

 

 

本文因此首创超轻型轨道车,利用这款推进器作为动力,动态演示推进器的功能和特性。材料如下:

一、有小孔的珠珠,近似球形者较佳,一般儿童可用线穿过其中之孔,而串成项链或手链玩具的小塑料珠珠即可;

二、30000 伏特直流电源(数毫安培的输出电流即可);

三、珍珠板若干块;

四、直径0.025 mm 的钨丝;

五、巴沙木条(模型玩具店或大型钓具店找得到);

六、厨房用铝箔(就是普通用来烹煮食物的铝箔);

七、用来绝缘的保丽龙板(厚20 mm,面积100×50 cm2)若干块、玻璃板、玻璃杯(瓶)、细的塑料棒等。

八、直径2.5 cm 以上的PE 棒;

九、0.4mm 直径的钢杆(即尚未加工的钻针)根;

十、截面积0.4×0.8cm2 的铝条两根;截面积0.1×0.8cm2 的铝条两根,长约三公尺

组装步骤

(甲)直轨离子推进车

一、先将PE 棒车出四个直径2 cm、厚6mm 的车轮,车轮有如火车车轮,轮一侧有延伸凸缘, 凸缘凸出轮缘约3mm。车轮圆心有一小孔,直径约0.5mm

二、以长10 cm,宽5 cm,厚约2 cm 的珍珠板制成绝缘的枕木十块;

三、截面积0.4×0.8 cm2 的两根铝条作为铝轨,相距4.2 cm黏在珍珠板枕木上;

四、割一块厚3 mm,宽3.5 cm,长12 cm的珍珠板,板上靠近两端先各画两道(共四道)平行线,平行线相距至少1 cm,平行线垂直车行进的方向,把0.4mm 直径的4 根钢杆黏在平行线上,作为轮轴,如此一来,钢杆制成的车轴,才不容易在电压高达30000伏特的铝轨间造成电弧放电;

五、将四个车轮(凸缘在内侧)装在轮轴上, 并以有小孔的珠珠限制车轮位置,使两轮跨距不得小于轨道宽度,以免车行时脱轨。车身的部分即已完成。

六、用美工刀削出长250 mm、宽5 mm、厚2 mm 的巴沙木条三根,以及长60mm、宽5 mm、厚2 mm 的巴沙木条二根。用强力胶黏合巴沙木条,先作出骨架。骨架状如一长方形的框框,但两侧之短巴沙木条向前方伸出一小截。亦即制作图一离子推进器的某一部分。骨架最后要竖立在车身上,其两侧伸出的一小截巴沙木条分别在底部和上端,均指向前方。

七、强力胶干燥木架会变得比较坚固,先在木架后方用强力胶黏上剪好的铝箔(长250 mm、宽30 mm);再利用木架前方伸出的两截巴沙木架设细金属丝, 细金属丝与铝箔相距28mm,作为推进器。

八、把木架框框垂直用AB 胶黏在车身上,亦即木架框框垂直地面,框框上的铝箔平行车行方向,细金属丝在前方,并垂直地面。车两侧各安装用铝箔制成集电靴(改用铜箔更佳,所谓集电靴就是简单的长条形铝箔,惟长度足以从车上触及铝轨), 轻轻接触下方轨道,一边的集电靴使铝轨和车上推进器的细金属丝导通,另一边的集电靴使铝轨和车上推进器的铝箔导通。即完成直轨离子推进车。

 

 

(乙)圆形轨道离子推进车

一、将PE 棒用小型车床,车出四个直径2cm、厚6 mm 的车轮,车轮有如火车车轮,轮一侧有延伸凸缘,凸缘凸出轮缘约3 mm。车轮圆心有一小孔,直径约0.5 mm

二、截面积0.1×0.8 cm2 的两根铝条作为铝轨,经仔细计算圆周和直径,读者可以自行决定轨道之直径,大于1 m为佳,如果内侧轨道半径为50 cm,则外侧轨道半径即为(50+4.2)cm 分别决定内外侧铝轨的长度。事先贴在木板上面积1 m2 的珍珠板上,珍珠板上同时也要事先精细画出内外侧圆形轨道的图形, 先把铝轨弯成圆形,将内外侧铝轨相距4.2 cm黏在珍珠板上。

三、这项步骤和第二步骤都要尽可能精密。配合圆型轨道,车身也设计成圆弧形,圆弧形成的圆和圆形轨道为同心圆,经仔细计算车身两侧圆弧之半径,绘妥圆弧后,割一块厚3 mm,宽3.5 cm,弧长大约12 cm 的珍珠板,作为车身,板上靠近两端先各画两道(共四道)向着圆心的径向直线,直线相距至少1 cm,把0.4mm 直径的4 根钢杆黏在平行线上,作为轮轴。

四、将四个车轮(凸缘在内侧)装在轮轴上, 并以有小孔的珠珠限制车轮位置,使两轮跨距不小于轨道宽度,否则车行时会脱轨。

五、只取图A 三角形简易离子推进器的三分之二作为推进器。还是利用巴沙木条、细金属丝和铝箔等制成V形的离子推进器。

六、把离子推进器安装在车上,车两侧各用铝箔( 改用铜箔更佳) 制成集电靴,轻轻接触下方轨道,两集电靴分别接通离子推进器的金属丝和铝箔。即完成圆轨离子推进车。

实验操作:

在高电压时,许多平常时候不导电的东西,都或多或少会发生漏电的现象,例如木材,因常会受潮,高电压时绝缘的效果很差。所以要用玻璃板、玻璃杯(瓶)和保丽龙板,架设各导线,使各导线绝缘,使不致于漏电。30000 伏特直流电源输出接在铝制轨道上,圆轨离子推进车即快速绕行圆形轨道,周而复始。调整直线轨道之坡度,直轨离子推进车可以爬坡,可概估静止时离子推进器之推力,亦可观察到运动中之离子推进器推力并未明显减少。

注释:

一、警告:高压电源须小心操作,避免电殛。实验场所宜通风整洁,不可有挥发性易燃物。参见周鉴恒,科学月刊20029 月,奇异的电浆推进器798–800

 

 

 

注:原文为繁体,本站发布时未转译,但为方便读者阅读,直接将繁体转为简体。

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