國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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富蘭克林馬達

不必插電,利用靜電也可以驅動馬達喔!

器材:木板(或塑膠瓦楞板)、塑膠杯、圖釘、鋁箔紙、竹筷、膠帶、靜電棒

操作過程與現象:

  富蘭克林馬達(Franklin motor)是利用靜電的運作產生旋轉運動,因此又稱為「靜電馬達(electrostatic motor)」。由於頗為有趣,在網路上有不少的介紹,製作過程如下。

1.首先是轉動塑膠杯的製作(如圖二中紅色塑膠杯),將塑膠杯外緣平整的貼上四片大小相同的鋁箔紙,鋁箔紙之間間隔約一公分,並注意平均對稱。完成後,在杯子底部的中央以圖釘鑽一個小洞,再用膠帶貼住洞口(膠帶貼在杯子外面,如圖一上方)。注意:鑽的洞必須在正中央,以便轉動時保持平衡,不會左右晃動!

2.取一竹筷,在竹筷頭部以熱熔膠黏貼圖釘,圖釘的尖端朝上,然後將黏貼了鋁箔紙的杯子,倒立放在圖釘上,並使杯子的洞插入圖釘中。

3.在杯子左右兩側(底板使用木板或是塑膠瓦楞板)分別插上吸管,並在吸管上分別黏貼一片鋁箔紙,朝向杯子的鋁箔紙剪成鋸齒狀(參見圖一),且距離杯子越近越好,但是不可以接觸。

4.再以另一片鋁箔紙黏貼在圖一最左邊的鋁箔紙上,以便可以接地(接觸桌面即可)。

5.完成後就可以試驗能否使杯子轉動了,建議使用氣球即可。將氣球吹飽氣,在頭髮上或是毛料材質摩擦,以便產生靜電,然後將氣球接觸最右邊的鋁箔紙(如圖二),杯子就會開始轉動囉!

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  版主經過多次實驗,發現富蘭克林馬達的成功率並不高,搜尋網路資訊,有同樣結論的也不少。總結要成功使塑膠杯轉動,必須注意以下事項:(1)空氣的濕度因素不僅會影響,而且影響非常大,例如在陰天或下雨天,可以說不必嘗試了,因為幾乎無法成功,建議在冷氣房或有除濕設備的地方進行,同時濕度較低的冬天也比夏天的成功率高出很多。(2)以吹風機將杯子、鋁箔紙等裝置吹乾,有提高成功率的效果。(3)塑膠杯除了需要保持平衡之外(注意挖洞的位置),杯子轉動時的摩擦力必須儘可能降至最低,因此挖洞後,建議用砂紙將洞口凸出的細小塑膠片磨平。(4)儘量使用較大尺寸的氣球而且吹飽氣,效果比小氣球好很多。(5)如使用小型范式起電機的「靜電棒(fun fly stick)」(如圖三),成功率可以大為提升,氣候因素幾乎不會影響成敗。靜電棒很容易由網路搜尋購買,一支售價約三百元,建議可以購買使用。使用時,如果在靜電棒前端貼上一小片鋸齒狀的鋁箔紙(如圖四),直接替代杯子右邊的鋁箔紙,效果更佳。

原理:

  根據Stong(1974)的描述,富蘭克林1748年以靜電設計轉動馬達的構想,只有文字描述,並沒有圖形說明結構。其後經過數位科學家的發展與改進,設計出數種不同類型的靜電動力裝置(例如平板型、富蘭克林鐘等等),本科學遊戲介紹的是較常被介紹的設計之一。

  塑膠杯之所以會轉動,首先是氣球經摩擦頭髮之後帶負電,接觸右側鋁箔紙(圖五的A)使鋁箔紙帶負電,A鋁箔紙的鋸齒狀邊緣產尖端放電(有時可以聽到劈啪聲),使氣球的負電荷(電子)跳至塑膠杯的鋁箔紙。由於同性相斥,而推動塑膠杯旋轉。當塑膠杯帶負電的鋁箔紙旋轉靠近左側鋁箔紙B時,如圖六;靠近塑膠杯的B端因靜電感應而使正電荷集中於B的尖端,並與塑膠杯的負電荷因電性相異而相吸引,可使塑膠杯的旋轉加速。同時塑膠杯的負電因為尖端放電而跳至B端,B端鋁箔紙多餘的負電則經由接地而流失。

  以上的過程,Stong(1974)、Beaty(1988)與Morse(2004)舉例可以將塑膠杯想像為一水車,負電荷(電子)如同水。在運動過程中,A端提供了水(電子)給水車,水車旋轉到B端,就將水倒出去,如此反覆週而復始,水車就可以一直旋轉了。

  國內有學者的解釋與上述略為不同(例如參考資料6、7),認為B端帶的正電荷,使鄰近的塑膠杯因尖端放電也是正電,因此為排斥,換言之A、B兩端都是排斥。但是版主搜尋文獻與網路,大多認為是一端排斥、一端吸引,因此採用圖五、圖六的原理。

  最後有關塑膠杯的旋轉方向,文獻中並未有直接說明是否有特定的轉動方向,版主的實驗觀察結果顯示;可以順時針轉,也可以逆時針轉。如果一開始先用手輕輕撥動塑膠杯順時針轉,接著氣球(或靜電棒)靠近,塑膠杯會持續保持順時針轉(轉速明顯增加)。反之一開始以逆時針方向撥動塑膠杯轉動,塑膠杯就會持續保持逆時針轉。

  但是如果塑膠杯一開始為靜止,不用手撥動,當靜電棒靠近之後,塑膠杯的旋轉方向經常有保持特定方向的現象!這個問題留給網友思考,甚至可當為中小學科學展覽的題目喔。提醒:此現象與塑膠杯傾斜方向有關,而且與靜電棒靠近塑膠杯時的位置(例如與B端的角度)也會影響塑膠杯的旋轉方向。

延伸的科學遊戲:

  利用類似原理的另一操作為「富蘭克林鐘」,如圖七,中央的金屬拉環會來回的撞擊兩側的鋁罐而發出聲音。製作過程如下。

1.取二個空的易開罐(鋁罐),左邊的鋁罐需要接地,右邊鋁罐則必須墊一個塑膠蓋與地面(桌面)絕緣。鋁罐的距離約3公分即可,拉環位於二個鋁罐的中間。

2.取一吸管,以縫衣線綁上鋁罐取下來的金屬拉環,懸掛於二個鋁罐的中間,拉環距離桌面約1公分。並以膠帶將吸管黏貼在左邊的鋁罐上固定。

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3.將吹飽氣的氣球摩擦頭髮後,接觸右邊的鋁罐,拉環就會來回的撞擊鋁罐,發出清脆的聲音,有如敲鐘一般。

  「富蘭克林鐘」的原理如圖八~十。首先如圖八,帶了靜電的氣球接觸右邊鋁罐之後,讓鋁罐帶負電,由於靜電感應而使拉環右邊帶正電,進而因為異性電荷互相吸引,拉環被吸到右邊鋁罐上。當拉環接觸到右邊鋁罐後(如圖九),鋁罐的負電流通到拉環上,使拉環也帶負電,因為同性電荷而排斥,因此拉環隨即被鋁罐推開。拉環被推開後,擺盪到左邊鋁罐(如圖十),與左邊鋁罐接觸之後,拉環的負電荷會經由接地將負電流掉,使得鋁罐與拉環都不帶電,拉環再因重力而擺盪下來,然後再回復到圖八的過程,再被右邊鋁罐吸引,如此反覆的來回撞擊鋁罐。

叮嚀的話:

1.如果沒有使用圖三的靜電棒,在陰天或雨天時,除非有空調可以降低空氣濕度,建議不必浪費時間嘗試,因為幾乎確定無法成功。

2.富蘭克林馬達除了使用塑膠杯,還有利用寶特瓶、水晶杯或其他材料的設計,請點閱以下參考資料閱讀。

3.塑膠杯在轉動之後,經常因為受到左右鋁箔紙排斥、吸引而左右晃動。如晃動太激烈,可以在塑膠杯底部的左右對稱的黏上一小片黏土,增加重量(同時降低重心),使晃動程度降低。注意黏土不可黏太多,以免重量增加,摩擦力也增加,而不易轉動。

4.圖五左邊的鋁箔紙(B端)必須接地,如果以靜電棒實驗時,可以發現B端不接地也可以讓塑膠杯轉動,但是轉動速度較慢,顯示靜電仍然容易流失(所以空氣濕度很重要)。但是無論如何,B端的接地仍有其必要性,可以增加成功率。

5.在教學上,除了指導學生討論上述問題(例如旋轉方向、濕度問題),可以試驗將塑膠杯上的鋁箔紙由四片改為二片、三片,甚至多達十二片,實驗是否能讓塑膠杯旋轉?

參考資料:

1. Stong, C. L. (1974). Electrostatic motors are powered by electric field of the earth. The Amateur Scientist, October. http://www.meridian-int-res.com/Energy/ESMotors.pdf

2.Beaty, W. J. (1988). Electrostatic motor plans. http://amasci.com/emotor/emot1.html

3.Morse, R. A. (2004). Part IV. Further experiments on the Leyden jar described in letter to Peter Collinson. Presented at A Workshop on Franklin’s Experiments in Electrostatics. MA: Tufts University, Wright Center for Innovative Science Teaching.

4.Pakistan Science Club: http://www.paksc.org/pk/science-experiments/physics-experiments/item/1024-build-simple-electrostatic-franklins-motor.html

5.Instructables: http://www.instructables.com/id/Build-an-Electrostatic-Motor/

6.普通高中課程物理學科中心:http://physical.tcfsh.tc.edu.tw/physical/physdemo/select/s5-3/s5-3.htm

7.周鑑恆(2003)。富蘭克林馬達。科學教育月刊,263,45-47;14。

8. YouTube影片: (1) http://www.youtube.com/watch?v=MnY55DRBzq0

(2) http://www.youtube.com/watch?v=eaXJk4z81J8