有趣的库仑力实验小制作

将电离转轮的实验加以改良，利用磁铁的引力悬挂电离转轮，并于转轮之旋臂上串接各种放电发光管，通电之后电离转轮一边旋转，发光管一边发光，可一并演示电流通过和产生推力。

（原载：《科学月刊》，2004年第35卷第6期）

听起好像很学术的“库仑力”(Coulombforce)，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）。

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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周鉴恒博士专栏

将电离转轮的实验加以改良，利用磁铁的引力悬挂电离转轮，并于转轮之旋臂上串接各种放电发光管，通电之后电离转轮一边旋转，发光管一边发光，可一并演示电流通过和产生推力。

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1mm、15mm）

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）

lpVC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的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块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）。

将电离转轮的实验加以改良，利用磁铁的引力悬挂电离转轮，并于转轮之旋臂上串接各种放电发光管，通电之后电离转轮一边旋转，发光管一边发光，可一并演示电流通过和产生推力。

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a、b），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！

责编：田若平