有趣的庫侖力實驗

將電離轉輪的實驗加以改良，利用磁鐵的引力懸掛電離轉輪，並於轉輪之旋臂上串接各種放電發光管，通電之後電離轉輪一邊旋轉，發光管一邊發光，可一併演示電流通過和產生推力。

（原載：《科學月刊》，2004年第35卷第6期）

聽起好像很學術的“庫侖力”(Coulombforce)，説穿了就是電荷之間的作用力，小學生都知道的異性電荷相吸、同性電荷相斥，是所有電磁學教科書一開始必定提到的現象，由此再定義電場、電位，並進一步建構整個電學。簡易的電學相關實驗包括：塑料尺摩擦毛皮以吸引小紙屑、驗電瓶、電離轉輪（又稱靜電風車）、以及富蘭克林馬達等。

改良式電離轉輪

一般的電離轉輪形狀有如灑水器，以金屬製成，尺寸通常不大，十分輕巧，接上高壓電之後，因為似灑水器噴嘴的尖端會放電、產生帶電氣流，且因為同性電荷相斥造成推力，使電離轉輪旋轉；不過，這種演示方式比較單調，筆者曾經加以改良，利用磁鐵的引力懸掛整個電離轉輪，並於電離轉輪之旋臂上串接各種放電發光管（例如氖燈、閃光燈等），製作出發光電離轉輪，通電之後發光電離轉輪一邊旋轉，發光管一邊發光，可一併演示電流通過和產生推力。

最近，筆者又將懸掛發光電離轉輪的方式予以多樣化，例如將2具發光電離轉輪利用磁鐵的吸引力重疊懸掛（圖一），其中上方發光電離轉輪和下方發光電離轉輪的旋轉方向相反，增添許多瑰麗奇特的效果；必要時，也可串接更多的發光電離轉輪，或者利用上方轉輪旋臂上的磁鐵串接在下方轉輪的轉軸上，使得下方2個發光電離轉輪能一邊自旋一邊公轉（圖二）；當然也可同時將許多發光電離轉輪懸在樹枝狀的支架上，營造出火樹銀花的氣氛，更引人注目。

圖一：重疊式發光電離轉輪靜止(A)和通電運轉(B,C)。

圖二：自旋公轉式發光電離轉輪靜止（A）和通電運轉（B）。

注：原文為繁體，本站發佈時未轉譯，但為方便讀者閲讀，直接將繁體轉為簡體。

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周鑑恆博士專欄

將電離轉輪的實驗加以改良，利用磁鐵的引力懸掛電離轉輪，並於轉輪之旋臂上串接各種放電發光管，通電之後電離轉輪一邊旋轉，發光管一邊發光，可一併演示電流通過和產生推力。

電離轉輪實驗需要使用高壓電，除了得找到高電壓變壓器，亦有安全的考慮，某些場合並不方便採用；本實驗大幅創新富蘭克林電離轉輪的原始設計，可以在毫無危險的情形下演示庫侖力的作用，極適合在教室與學生一起動手實驗。

製作程序

DIY電離轉輪所需器材

l珍珠板若干塊（厚度1mm、15mm）

l鋁箔紙（即一般廚房烹飪用的鋁箔）

l縫衣針（雜貨店有售）

l厚紙板、雙面膠（書局有售）

lpVC管（即常見的灰色塑膠水管）

l羊毛、尼龍混紡的布一塊

l電線、pE棒（pE棒即普通的白色塑膠棒，亦可用其他代替品）

先用厚約1mm的珍珠板製成指針，形狀不拘，對稱的造形是較簡易的設計，指針中間挖一直徑2.2cm的圓孔，圓孔上黏上用薄珍珠板製成的小拱橋，拱橋中間固定一縫衣針，針尖朝下，指針兩端用雙面膠黏上兩小塊(2×1cm2)長方形的薄珍珠板，此2小塊珍珠板上都黏有相同面積的鋁箔。

再在珍珠板上畫出直徑比指針長度略長6mm的圓，將此圓作12等分，並清楚標示其圓心位置。將長約3cm的pE棒用車牀車製出底座，棒頂中心挖一個淺淺的小穴，製成一托盤，再將底座黏在珍珠板圓心。指針中心的縫衣針即置入淺淺的凹穴中（讀者可自行設計這部分，只要達到安穩承託中心縫衣針的目的即可，見圖三）。指針底部可再黏上硬幣，更降低重心，並於適當位置黏上貼紙，再加以微調，使指針由縫衣針頂在凹

穴中仍能自由轉動，並保持水平穩定（圖四）。

圖三：pE棒托盤，只要能穩定托住縫衣針針尖即可。

圖四：縫衣針頂在凹穴中使指針自由轉動，並使整個指針保持水平穩定平衡。

再把厚紙板剪成12塊L字形的碑牌，碑牌上黏上剪成鋸齒狀的鋁箔，鋁箔鋸齒的部分要伸出厚紙板，方便調節其彎曲度（圖五）。將每個碑牌依12等分黏在珍珠板上，間隔1塊碑牌的所有碑牌連在一起；換言之，12塊碑牌連成2組，此2組碑牌再分別用電線接地和接上也用鋁箔製成的集電旗。轉動指針，逐步調節鋸齒鋁箔彎曲度，使鋸齒鋁箔齒尖輕觸指針兩端鋁箔，愈輕輕觸及愈好，直到指針可幾乎不受影響地旋轉為止（圖六）。

圖五：L字形的碑牌和剪成鋸齒狀的鋁箔，鋁箔鋸齒伸出厚紙板。

圖六：本裝置完成實物之俯視圖（A）和逆時針運轉情形（B）。

將電離轉輪的實驗加以改良，利用磁鐵的引力懸掛電離轉輪，並於轉輪之旋臂上串接各種放電發光管，通電之後電離轉輪一邊旋轉，發光管一邊發光，可一併演示電流通過和產生推力。

設計特色

儘可能使連接集電旗的電線絕緣，用珍珠板將電線與一般桌面隔開，避免漏電，用羊毛、尼龍混紡的布快速摩擦pVC管，讓帶電後的pVC管靠近集電旗，指針即不停轉動。原因是，起初指針端的鋁箔因受極化而被庫倫力吸引，開始轉動後接觸某鋸齒狀鋁箔，即與該鋸齒狀鋁箔帶同性電，於是受到該鋸齒狀鋁箔之庫侖斥力，又因相鄰兩鋸齒狀鋁箔帶異性電，於是受到前方鋸齒狀鋁箔之庫倫引力，所以更加速轉動，待指針兩端的鋁箔接觸前方鋸齒狀鋁箔後，又重複相同的過程，以致於指針不停旋轉。

這項創新裝置的要點有：（一）L字形碑牌上的鋁箔以非對稱的方式，斜「切」指針兩端鋁箔運動的圓形軌跡，且（二）L字形碑牌上的鋁箔之寬度大於指針兩端鋁箔之寬度，因此碑牌鋁箔和指針兩端鋁箔如果帶異性電荷，將會一直到兩者極接近時，還都能因引力產生轉動力矩（圖七a、b），兩者接觸後（圖七c）即會帶同性電荷，因電荷在鋁箔中可以流動，會因互斥跑到兩端，並因斥力產生同方向的轉動力矩。（三）L字形碑牌上的鋁箔剪成鋸齒狀，有利於使鋁箔更具彈性，減少磨擦指針鋁箔的阻力，也有利於尖端放電，距離適當時，甚至可以不經接觸而使電荷導到指針鋁箔上。

圖七：本裝置設計要點之示意圖。指針鋁箔反時針轉動，其寬度小於碑牌鋁箔；指針鋁箔和碑牌鋁箔並非平行，碑牌鋁箔以一端斜切指針鋁箔所劃過的圓弧。

當然，基於同樣的原理，此裝置仍有改進的空間：（一）指針改成單獨1根，有助於所有碑牌鋁箔準確斜「切」單獨指針鋁箔運動的單一圓形軌跡，更容易控制指針鋁箔和每一個碑牌鋁箔的距離。多根指針若長短有些微差距，指針端點鋁箔的運動軌跡將是許多半徑不同的同心圓，碑牌的鋁箔與各指針鋁箔最近距離各不相同，可能造成電荷無法轉移或接觸時阻力太大的困擾；（二）製成時特別注意每根指針的長度要一致，並刻意安排各個指針的角度，可避免所有指針所在位置恰好都不易起動的毛病。

總之，此實驗器材便宜簡單、製程容易、效果不錯，值得一試！

責編：田若平