尖端放電和離子推進器

在許多科普著作和中小學教科書中，常提及避雷針，並簡單介紹其原理——尖端放電。但尖端放電的現象其實並不容易解釋清楚。簡單而言，導體的尖端由於電力線集中，電場較強，附近的中性空氣分子受到極化乃至於電離，如果導體尖端帶正電，空氣分子即因正電尖端帶走其電子而成爲正離子，此時正離子與正電尖端互斥，而加速離開，這些正離子同時帶動空氣流動，並不斷使填補至正極尖端附近的空氣電離，重複進行此過程。造成的效果就是正電導體尖端附近的空氣源源不斷產生正離子；反之，如果導體尖端帶負電，強電場亦能使尖端附近的空氣分子電離，負離子受斥離開，亦產生帶動空氣流動的效果。這就是所謂的尖端放電的大概情形。

雖然中小學生都知道的尖端放電現象，似乎並非很艱深的學理，但在大氣中運作的新型離子推進器，卻主要是利用尖端放電的原理。就像靜電風車(ElectricWhirl)產生推力一樣，離子推進器不過多加了另一電極，使推力更大而已。

圖A

圖A爲簡易離子推進器【注一】之示意圖：其中，木架上方細金屬絲與下方裙狀鋁箔相距28mm。因爲細金屬絲的半徑極小，而鋁箔的形狀卻是薄薄扁扁的一片，細金屬絲和鋁箔於是形成不對稱的電容。鋁箔和細金屬絲分別接通直流高壓電的負極和正極，因爲空氣稍微比較容易被電離成帶正電的正離子，爲了盡其可能產生大量的離子，因此上方金屬細絲宜接正極，上方細金屬絲因爲極細小，所以發生尖端放電而遊離空氣，產生正離子；下方接負極的鋁箔，因面積較大，且形狀平滑，附近的電場較弱，不易產生負離子。正離子受到電場加速，在濃稠的大氣中向鋁箔運動，把動量傳給空氣，產生了作用在離子推進器上的推力，離子推進器隨即寂靜騰空，煞是神祕，如視頻所示。

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這具簡易離子推進器不難直觀加以理解，不妨打個比方說明，正離子就好似船槳，電場好似划船者的手，手握船槳向後撥動水而使船向前，電場吸引離子向後撥動空氣，亦即把離子想成是向後（下）撥動空氣的槳，使離子推進器受向前（上）之力。

不過這種類似直升機滯空演示的方法，用了三根釣魚線栓住離子推進器，使離子推進器系空滯留，不致於飛走。演示此推進器運動時的特性較受限制。

注：原文爲繁體，本站發佈時未轉譯，但爲方便讀者閱讀，直接將繁體轉爲簡體。

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周鑑恆博士專欄

本文因此首創超輕型軌道車，利用這款推進器作爲動力，動態演示推進器的功能和特性。材料如下：

一、有小孔的珠珠，近似球形者較佳，一般兒童可用線穿過其中之孔，而串成項鍊或手鍊玩具的小塑料珠珠即可；

二、30000伏特直流電源（數毫安培的輸出電流即可）；

三、珍珠板若干塊；

四、直徑0.025mm的鎢絲；

五、巴沙木條（模型玩具店或大型釣具店找得到）；

六、廚房用鋁箔（就是普通用來烹煮食物的鋁箔）；

七、用來絕緣的保麗龍板（厚20mm，面積100×50cm2）若干塊、玻璃板、玻璃杯（瓶）、細的塑料棒等。

八、直徑2.5cm以上的pE棒；

九、0.4mm直徑的鋼杆（即尚未加工的鑽針）８根；

十、截面積0.4×0.8cm2的鋁條兩根；截面積0.1×0.8cm2的鋁條兩根，長約三公尺。

組裝步驟：

（甲）直軌離子推進車

一、先將pE棒車出四個直徑2cm、厚6mm的車輪，車輪有如火車車輪，輪一側有延伸凸緣，凸緣凸出輪緣約3mm。車輪圓心有一小孔，直徑約0.5mm；

二、以長10cm，寬5cm，厚約2cm的珍珠板製成絕緣的枕木十塊；

三、截面積0.4×0.8cm2的兩根鋁條作爲鋁軌，相距4.2cm黏在珍珠板枕木上；

四、割一塊厚3mm，寬3.5cm，長12cm的珍珠板，板上靠近兩端先各畫兩道（共四道）平行線，平行線相距至少1cm，平行線垂直車行進的方向，把0.4mm直徑的4根鋼杆黏在平行線上，作爲輪軸，如此一來，鋼杆製成的車軸，纔不容易在電壓高達30000伏特的鋁軌間造成電弧放電；

五、將四個車輪（凸緣在內側）裝在輪軸上，並以有小孔的珠珠限制車輪位置，使兩輪跨距不得小於軌道寬度，以免車行時脫軌。車身的部分即已完成。

六、用美工刀削出長250mm、寬5mm、厚2mm的巴沙木條三根，以及長60mm、寬5mm、厚2mm的巴沙木條二根。用強力膠黏合巴沙木條，先作出骨架。骨架狀如一長方形的框框，但兩側之短巴沙木條向前方伸出一小截。亦即製作圖一離子推進器的某一部分。骨架最後要豎立在車身上，其兩側伸出的一小截巴沙木條分別在底部和上端，均指向前方。

七、強力膠乾燥木架會變得比較堅固，先在木架後方用強力膠黏上剪好的鋁箔（長250mm、寬30mm）；再利用木架前方伸出的兩截巴沙木架設細金屬絲，細金屬絲與鋁箔相距28mm，作爲推進器。

八、把木架框框垂直用AB膠黏在車身上，亦即木架框框垂直地面，框框上的鋁箔平行車行方向，細金屬絲在前方，並垂直地面。車兩側各安裝用鋁箔製成集電靴（改用銅箔更佳，所謂集電靴就是簡單的長條形鋁箔，惟長度足以從車上觸及鋁軌），輕輕接觸下方軌道，一邊的集電靴使鋁軌和車上推進器的細金屬絲導通，另一邊的集電靴使鋁軌和車上推進器的鋁箔導通。即完成直軌離子推進車。

（乙）圓形軌道離子推進車

一、將pE棒用小型車牀，車出四個直徑2cm、厚6mm的車輪，車輪有如火車車輪，輪一側有延伸凸緣，凸緣凸出輪緣約3mm。車輪圓心有一小孔，直徑約0.5mm；

二、截面積0.1×0.8cm2的兩根鋁條作爲鋁軌，經仔細計算圓周和直徑，讀者可以自行決定軌道之直徑，大於1m爲佳，如果內側軌道半徑爲50cm，則外側軌道半徑即爲(50+4.2)cm，分別決定內外側鋁軌的長度。事先貼在木板上面積1×1m2的珍珠板上，珍珠板上同時也要事先精細畫出內外側圓形軌道的圖形，先把鋁軌彎成圓形，將內外側鋁軌相距4.2cm黏在珍珠板上。

三、這項步驟和第二步驟都要儘可能精密。配合圓型軌道，車身也設計成圓弧形，圓弧形成的圓和圓形軌道爲同心圓，經仔細計算車身兩側圓弧之半徑，繪妥圓弧後，割一塊厚3mm，寬3.5cm，弧長大約12cm的珍珠板，作爲車身，板上靠近兩端先各畫兩道（共四道）向着圓心的徑向直線，直線相距至少1cm，把0.4mm直徑的4根鋼杆黏在平行線上，作爲輪軸。

四、將四個車輪（凸緣在內側）裝在輪軸上，並以有小孔的珠珠限制車輪位置，使兩輪跨距不小於軌道寬度，否則車行時會脫軌。

五、只取圖A三角形簡易離子推進器的三分之二作爲推進器。還是利用巴沙木條、細金屬絲和鋁箔等製成Ｖ形的離子推進器。

六、把離子推進器安裝在車上，車兩側各用鋁箔（改用銅箔更佳）製成集電靴，輕輕接觸下方軌道，兩集電靴分別接通離子推進器的金屬絲和鋁箔。即完成圓軌離子推進車。

實驗操作：

在高電壓時，許多平常時候不導電的東西，都或多或少會發生漏電的現象，例如木材，因常會受潮，高電壓時絕緣的效果很差。所以要用玻璃板、玻璃杯（瓶）和保麗龍板，架設各導線，使各導線絕緣，使不致於漏電。30000伏特直流電源輸出接在鋁製軌道上，圓軌離子推進車即快速繞行圓形軌道，周而復始。調整直線軌道之坡度，直軌離子推進車可以爬坡，可概估靜止時離子推進器之推力，亦可觀察到運動中之離子推進器推力並未明顯減少。

註釋：

一、警告：高壓電源須小心操作，避免電殛。實驗場所宜通風整潔，不可有揮發性易燃物。參見周鑑恆，科學月刊2002年9月，奇異的電漿推進器，798–800頁。

責編：唐軍毅