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动手制作有趣的库仑力实验现象

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听起好像很学术的“库仑力”(Coulomb force),说穿了就是电荷之间的作用力,小学生都知道的异性电荷相吸、同性电荷相斥,是所有电磁学教科书一开始必定提到的现象,由此再定义电场、电位,并进一步建构整个电学。简易的电学相关实验包括:塑料尺摩擦毛皮以吸引小纸屑、验电瓶、电离转轮(又称静电风车)、以及富兰克林马达等。

改良式电离转轮

一般的电离转轮形状有如洒水器,以金属制成,尺寸通常不大,十分轻巧,接上高压电之后,因为似洒水器喷嘴的尖端会放电、产生带电气流,且因为同性电荷相斥造成推力,使电离转轮旋转;不过,这种演示方式比较单调,笔者曾经加以改良,利用磁铁的引力悬挂整个电离转轮,并于电离转轮之旋臂上串接各种放电发光管(例如氖灯、闪光灯等),制作出发光电离转轮,通电之后发光电离转轮一边旋转,发光管一边发光,可一并演示电流通过和产生推力。

最近,笔者又将悬挂发光电离转轮的方式予以多样化,例如将2具发光电离转轮利用磁铁的吸引力重叠悬挂(图一),其中上方发光电离转轮和下方发光电离转轮的旋转方向相反,增添许多瑰丽奇特的效果;必要时,也可串接更多的发光电离转轮,或者利用上方转轮旋臂上的磁铁串接在下方转轮的转轴上,使得下方2 个发光电离转轮能一边自旋一边公转(图二);当然也可同时将许多发光电离转轮悬在树枝状的支架上,营造出火树银花的气氛,更引人注目。


图一:重叠式发光电离转轮静止(A)和通电运转(B, C)

图二:自旋公转式发光电离转轮静止(A)和通电运转(B)。

 

电离转轮实验需要使用高压电,除了得找到高电压变压器,亦有安全的考虑,某些场合并不方便采用;本实验大幅创新富兰克林电离转轮的原始设计,可以在毫无危险的情形下演示库仑力的作用,极适合在教室与学生一起动手实验。

制作程序

DIY电离转轮所需器材

l        珍珠板若干块(厚度1mm15mm

l        铝箔纸(即一般厨房烹饪用的铝箔)

l        缝衣针(杂货店有售)

l        厚纸板、双面胶(书局有售)

l        PVC管(即常见的灰色塑胶水管)

l        羊毛、尼龙混纺的布一块

l        电线、PE棒(PE棒即普通的白色塑胶棒,亦可用其他代替品)

先用厚约1mm 的珍珠板制成指针,形状不拘,对称的造形是较简易的设计,指针中间挖一直径2.2cm的圆孔,圆孔上黏上用薄珍珠板制成的小拱桥,拱桥中间固定一缝衣针,针尖朝下,指针两端用双面胶黏上两小块(2 × 1cm2)长方形的薄珍珠板,此2小块珍珠板上都黏有相同面积的铝箔。

再在珍珠板上画出直径比指针长度略长6mm 的圆,将此圆作12 等分,并清楚标示其圆心位置。将长约3cm PE 棒用车床车制出底座,棒顶中心挖一个浅浅的小穴,制成一托盘,再将底座黏在珍珠板圆心。指针中心的缝衣针即置入浅浅的凹穴中(读者可自行设计这部分,只要达到安稳承托中心缝衣针的目的即可,见图三)。指针底部可再黏上硬币,更降低重心,并于适当位置黏上贴纸,再加以微调,使指针由缝衣针顶在凹
穴中仍能自由转动,并保持水平稳定(图四)。

图三:PE棒托盘,只要能稳定托住缝衣针针尖即可。

图四:缝衣针顶在凹穴中使指针自由转动,并使整个指针保持水平稳定平衡。

 

再把厚纸板剪成12 L 字形的碑牌,碑牌上黏上剪成锯齿状的铝箔,铝箔锯齿的部分要伸出厚纸板,方便调节其弯曲度(图五)。将每个碑牌依12等分黏在珍珠板上,间隔1 块碑牌的所有碑牌连在一起;换言之, 12块碑牌连成2 组,此2 组碑牌再分别用电线接地和接上也用铝箔制成的集电旗。转动指针,逐步调节锯齿铝箔弯曲度,使锯齿铝箔齿尖轻触指针两端铝箔,愈轻轻触及愈好,直到指针可几乎不受影响地旋转为止(图六)。

图五:L字形的碑牌和剪成锯齿状的铝箔,铝箔锯齿伸出厚纸板。

 


图六:本装置完成实物之俯视图(A)和逆时针运转情形(B)。

 

 

设计特色

尽可能使连接集电旗的电线绝缘,用珍珠板将电线与一般桌面隔开,避免漏电,用羊毛、尼龙混纺的布快速摩擦PVC 管,让带电后的PVC 管靠近集电旗,指针即不停转动。原因是,起初指针端的铝箔因受极化而被库伦力吸引,开始转动后接触某锯齿状铝箔,即与该锯齿状铝箔带同性电,于是受到该锯齿状铝箔之库仑斥力,又因相邻两锯齿状铝箔带异性电,于是受到前方锯齿状铝箔之库伦引力,所以更加速转动,待指针两端的铝箔接触前方锯齿状铝箔后,又重复相同的过程,以致于指针不停旋转。

这项创新装置的要点有:(一)L 字形碑牌上的铝箔以非对称的方式,斜「切」指针两端铝箔运动的圆形轨迹,且(二)L 字形碑牌上的铝箔之宽度大于指针两端铝箔之宽度,因此碑牌铝箔和指针两端铝箔如果带异性电荷,将会一直到两者极接近时,还都能因引力产生转动力矩(图七ab),两者接触后(图七c)即会带同性电荷,因电荷在铝箔中可以流动,会因互斥跑到两端,并因斥力产生同方向的转动力矩。(三)L 字形碑牌上的铝箔剪成锯齿状,有利于使铝箔更具弹性,减少磨擦指针铝箔的阻力,也有利于尖端放电,距离适当时,甚至可以不经接触而使电荷导到指针铝箔上。

图七:本装置设计要点之示意图。指针铝箔反时针转动,其宽度小于碑牌铝箔;指针铝箔和碑牌铝箔并非平行,碑牌铝箔以一端斜切指针铝箔所划过的圆弧。

当然,基于同样的原理,此装置仍有改进的空间:(一)指针改成单独1 根,有助于所有碑牌铝箔准确斜「切」单独指针铝箔运动的单一圆形轨迹,更容易控制指针铝箔和每一个碑牌铝箔的距离。多根指针若长短有些微差距,指针端点铝箔的运动轨迹将是许多半径不同的同心圆,碑牌的铝箔与各指针铝箔最近距离各不相同,可能造成电荷无法转移或接触时阻力太大的困扰;(二)制成时特别注意每根指针的长度要一致,并刻意安排各个指针的角度,可避免所有指针所在位置恰好都不易起动的毛病。

总之,此实验器材便宜简单、制程容易、效果不错,值得一试!

 

 

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