尖端放电和离子推进器小制作
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(ElectricWhirl)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。
图A
图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
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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。
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。 [1][2][3] 周鉴恒博士专栏 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 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 八、直径 九、 十、截面积0.4× 一、先将pE棒车出四个直径 二、以长 三、截面积0.4× 四、割一块厚 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 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 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。 一、将pE棒用小型车床,车出四个直径 二、截面积0.1× 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 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。 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。 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2002年9月,奇异的电浆推进器,798–800页。 责编:唐军毅
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