2011年1月19日 星期三

上帝的神劍─閃電

上帝的神劍─閃電
一、前言
夏天的午後雷陣雨經常會伴隨著閃電的發生,當一道閃電劃過天際時,扯開的不只是灰暗的天空;更多的是我們的好奇心。說穿了,閃電的發生不過就是高壓放電的結果,高能量的電子正負中和時放出的強光就是我們所見的閃電,這些原理在國高中的課程中或多或少都會提到,而且學生對這些自然界神奇的力量也是充滿好奇,只是,老師在教授閃電的成因時,根本不可能有實地觀測的機會,頂多就是使用影片,但又少了那麼一點真實感。坊間有出一些模擬閃電的教具,只是動輒數千元之譜,對經費拮据的國中學校而言根本是天方夜譚。筆者在此提供一個模擬閃電的方法給大家參考,既有趣又方便製作,且成本也不高,希望能給各位老師另一種教學的選擇。
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26 則留言:

  1. 通常想到人造閃電
    第一個想到的就是特斯拉線圈
    但diy功程浩大,而且具一定危險性
    (不過之後小弟還是想diy看看,現在存錢買材料中)

    再來想到的是范氏起電機或韋式起電機
    雖然在MAKE雜誌上看過韋式起電機的作法
    但其材料與工程過於複雜
    不過從大陸訂購韋式起電機的含運價格大概台幣700
    可以給沒這麼多時間diy的老師參考

    再來最常見的就是用壓電素子(壓電陶瓷)
    價格便宜,取得容易
    但缺點就是效果不夠大

    後來自己想到的方案是馬克斯發生器(俗稱高壓包)
    材料去電子材料行就可買齊
    或者從大陸訂購,含運價格在台幣400以下

    最近小弟正在教育實習
    體會到雖然很多教具都有現成可購買的
    但diy更可以檢示自己對此教具的認識度
    但我會更進一步思考
    很多教具,除了老師自行去做,演示給學生
    如何簡化材料與製作流程
    讓學生"自己做"
    這樣又會有另一層的體會與思考了

    國立台北教育大學學生 邱文凱

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  2. 我想這應該是diy之所以迷人的地方吧
    期待也預助你能成功

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  3. 想請問老師一件事
    上帝的神劍中,電漿球的製作是採用電子點火槍做為高壓電源
    不知老師是否有想過以電蚊拍中的高壓電路板做為高壓電源?
    成本應該會更為划算

    國立台北教育大學學生 邱文凱

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  4. 成本應該差不多
    通常我都會以手邊有的東西開始
    您可以試試看
    或許會有意想不到的結果

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  5. 老師您好
    我已經將電蚊拍拆解
    也另外接上6V的電源(4顆1.5V乾電池)

    但現在發生了一個問題,就是我手上沒有燈泡座
    那放電的火線如何接?
    難道是將電蚊拍的輸出正極跟輸出負極分別接在燈泡的底部尖端跟銅片?
    還是將兩條輸出線以絕緣膠帶纏再一起在接到燈泡上?

    電蚊拍放電影片(有點擔心輸出電壓太小)
    http://www.youtube.com/watch?v=MSD4M4Fjb8s

    國立台北教育大學學生 邱文凱

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  6. 從影片中來看
    電蚊拍是用電容的充放電來控制
    所以放電後需要斷路才能繼續充電
    但點火槍是脈衝電流
    可以持續產生高壓
    恐怕電蚊拍是不適合了

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  7. 啊....我懂老師意思了
    當初沒想到這麼多
    現在想想電蚊拍的工作原理跟電震玩具差不多

    但閃電球需要的是持續的高壓直流電源
    或許拿電視機裡的高壓包也ok呢(不過這電壓好像太大了)

    感謝老師指點
    改天再拿電子點火槍來製作

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  8. CRT的高壓裝置一定可行
    可是需要更高段的電學專家才能執行
    可能不太適合一般教學的推廣

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  9. 昨天拆開電子打火槍時,就想到一些問題,想跟老師您來討論

    1.電蚊拍本身具有升壓電路,所以可以藉由短路將電容內儲存的電能釋放出來

    電子打火槍則是升壓電路板再加上高壓線圈,因為有線圈的緣故,除了有升壓效果,還能提供穩流
    這樣來說電子打火槍不就是小型的特斯拉線圈???

    2.前端放電的部份為鈍頭的鐵釘
    讓我想到最近看到的資料是說最佳的避雷針是棒狀,頂端略鈍
    不知是否也是因為此結論,所以電子打火槍是如此設計

    但這又跟我們平常所說的"尖端放電",有直觀上的差別
    (從字面上會以為避雷針是尖的)
    還是說這是比較的問題,鈍頭的避雷針"相較"旁邊的物體仍屬尖端???

    好像是說完全尖銳的避雷針容易在其尖端產生擾動,造成引雷能力沒這麼好(這部份資料有代商確,之前只是一閃而過,沒深入理解)

    國立台北教育大學學生 邱文凱

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  10. 順便再請教老師一個問題
    老師的做法中寫到將火線接至燈座的中央接點
    所以也就是將火線接到影片中的右邊螺絲嗎?
    https://www.youtube.com/watch?v=XfXfVLK6GsU&feature=youtube_gdata_player

    國立台北教育大學學生 邱文凱

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  11. 1.電蚊拍本身具有升壓電路,所以可以藉由短路將電容內儲存的電能釋放出來
    電子打火槍則是升壓電路板再加上高壓線圈,因為有線圈的緣故,除了有升壓效果,還能提供穩流
    這樣來說電子打火槍不就是小型的特斯拉線圈???

    可以這麼說,只不過直流電是用電晶體開關開關來造成磁場變化,和一般特斯拉線圈直接使用交流電不同


    2.前端放電的部份為鈍頭的鐵釘
    讓我想到最近看到的資料是說最佳的避雷針是棒狀,頂端略鈍
    不知是否也是因為此結論,所以電子打火槍是如此設計
    但這又跟我們平常所說的"尖端放電",有直觀上的差別
    (從字面上會以為避雷針是尖的)
    還是說這是比較的問題,鈍頭的避雷針"相較"旁邊的物體仍屬尖端???

    尖端容易聚集電荷,自然容易吸引電和或放出電荷,這是沒問題的
    電子點火槍的放電端無需做成完全尖端,因此可以從每個方向放出電荷,對點火效果來說反而是更好的


    3. .......火線接到影片中的右邊螺絲嗎?
    無所謂,只是要將電荷引入燈泡內部而已,但地線我還是拉到開關處,利用人體形成迴路,放電效果較好,畢竟這樣產生的電壓不高,要完全對空放電,還是有困難的

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  12. 感謝老師細心的指導!!!
    我剛才成功做出來了
    晚點補上影片

    在製作的過程,我也在思考,為何一定要拆解電子打火槍讓火線跟地線分開?
    以下是我的推論,如果有誤,麻煩老師指正

    老師的作法,是將火線---燈泡中的少量惰性氣體---人體---地線形成一個通路來放電

    如果直接將火線與地線分別接在燈泡做的兩根接點螺絲上
    則是變成火線---燈絲---地線的通路
    因為燈絲的電阻小於人體,所以即使手指觸碰燈泡也不會放電現象
    然後因為留過燈絲的電流很小,所以燈泡並不會亮
    只能看到火線跟地線間的火光放電

    國立台北教育大學學生 邱文凱

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  13. 很棒的推論
    恭喜你成功了!

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  14. 60W燈泡的閃電
    https://docs.google.com/file/d/0B-0mECLW8MtTTURkbDF5dXFIUGM/edit?usp=sharing

    5W燈泡的綠光
    https://docs.google.com/file/d/0B-0mECLW8MtTWWZxeHp3SFl1M0U/edit?usp=sharing

    國立台北教育大學學生 邱文凱

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  15. 林老師好:
    以下2個問題想請教!

    1.范德格拉夫起電機(范氏起電機),產生的高壓靜電,若人體沒與地面絕緣,而去摸金屬球,必定會觸電。若將金屬球塗上一層絕緣漆,在人體依然沒與地面做絕緣的狀況下,再用手去摸會被電擊嗎?
    2.若把范氏起電機的金屬圓球,改為內部為中空狀的方形金屬體,一樣能收集到高壓靜電嗎?

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  16. 1.絕緣是相對值
    也就是和電壓的大小有絕對的關係
    范氏起電機產生的電壓少說也有數千~數十萬(瞬間最大)伏特
    若只是一般絕緣漆
    大概起不了太大的絕緣作用
    2.靜電會有所謂的尖端效應
    也就是容易聚集在尖端
    這也是起電機要做成金屬圓球的關係
    才不會使靜電只在某個角落
    造成電壓過高
    反而容易放電
    不利收集電荷
    所以若改成方型....
    你認為呢?

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    1. 謝謝林老師剛剛的解答!
      您說方形會因為有角度的關係,而造成靜電放電,不利收集。若是將方形的4個角,做成弧形,使整體看起來近似長橢圓形,這樣會不會改善呢?

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  17. 理論上可以改善
    不過還是要實驗後才能確定
    球型應該還是最理想的

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    1. 謝謝林老師熱心解答!受益良多 ~ ~

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  18. 林老師好:
    有1個疑問請教!韋式起電機有2顆金屬球用來觀察放電用的,當起電之後2顆金屬球會帶電,衛生紙條會被吸引。可是當其中1顆金屬球,用導線與另1個約哈密瓜大小之金屬罐連接後,此金屬球卻失去了吸力,而另1顆沒連接金屬罐的金屬球,卻還保有吸力。這是為什麼呢?

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  19. 這兩個金屬球分別連接一個萊頓瓶,各自獨立,應該是可以分開操作,彼此不受影響
    想知道您的背景,這樣比較好討論

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  20. 林老師好:
    我曾就讀過正修工專電子科,目前在大學擔任行政工作,平常對科學有興趣。最近覺得韋氏起電機,靠摩擦就可以產生高壓電,就忍不住買了1台來玩玩看。過程中突發奇想,想說如果串接1個大金屬罐,應該此金屬罐也會有吸力才對,怎知用導線串接金屬罐(此金屬罐沒有接地)及放電小金屬球後,此金屬罐和放電用小金屬球吸力反而消失,而另1顆小金屬球還保有吸力。我在想﹒﹒﹒是不是接了大金屬罐後,破壞了萊頓瓶電容平衡,造成了電的流失,還是其他原因呢?

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  21. 靜電屬於極高壓電,又不是持續的電流,因此很容易流失,因此萊頓瓶有內外兩層金屬,分別感應出正負電,使電子容易保存,若單純只是一個金屬罐,當然更容易放電,使原本的萊頓瓶靜電消失

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  22. 謝謝林老師的解答!

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  23. 老師我想請問你:手指摸燈泡放電的原理,我想不通哪裡有迴路?謝謝你

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  24. 右手開關處已連接上原本點火槍內部的地線,通電後火線的電通道燈泡,透過左手(摸著燈泡)、身體流回右手

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