Vol. 007

演示日期：2018/06/09

－財團法人國家科學實驗研究院 國家高速網路與計算中心 盧建銘研究員

－社團法人台灣科學教育推廣協會 李俊穎 講師

本次科普角很榮幸請到國網中心盧建銘博士及台灣科學教育推廣協會李俊穎

講師為我們演示有趣的電磁學自製教具。古典電磁學從 19 世紀開始蓬勃發

展，當時著名的科學家常藉由大眾、宮廷現場來演示，我們今天來穿越時空

看看神奇有趣的電磁現象吧!今天他們將帶來「太陽能磁浮馬達」、「無線充

電實作」、「光電 Maker」及其他好玩的實驗。

盧建銘（右）博士是財團法

人國家實驗研究院 國家高

速網路與計算中心研究員。

專長為分子動力學、半導體

製程模擬。本次科普角為大

家帶來 3D 列印的各種小玩

具，包括金蟾蜍、白龍、等

立體擺件，令小朋友愛不釋

手。

李俊穎講師（左）是台灣科

學教育推廣協會（SEAT）

理事兼講師。主要研究項目

為光能、磁能與電能之教學

推廣，曾培訓高中生擔任科

學闖關志工。本次科普角則帶來太陽能磁浮馬達與太陽能磁浮發電機、特拉

斯線圈等，講座一開始利用簡單易懂的正負極原理設計的磁鐵平衡遊戲，便

成功吸引大人小孩的注意力。

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盧博士與李講師的太陽能磁浮馬達/發電機最早以 3D 列印電腦設計為基礎，

輔助製作出雛型與試教之後，再藉由科學闖關活動回饋修正而完成。傳統的

馬達（電動機）教具將線圈置於磁場內，導電後，磁場會對非平行的導電線

圈作用，產生磁力矩沿著右手定則方向而轉動。太陽能磁浮馬達是以太陽能

板作為電流來源，因此能量從光能轉成電能再轉成力學能。

太陽能磁浮馬達基本設置如下：數片太陽能板組成筒子，內部設有線圈，下

方有磁鐵，軸的兩端亦放置磁鐵，與底板四角落的磁鐵因同極相斥，讓馬達

可以浮在空氣中，減少阻力，達到磁浮的效果。利用一個檯燈照射馬達，馬

達照光後，太陽能板會發電產生電流，電流通過線圈產生感應磁場，與下方

磁場因磁力不平衡而轉動。今天的演示除了小型版的磁浮馬達外（四片太陽

能板，圖一左），還有大型版的馬達（六片太陽能板，圖一右），大型馬達

每片太陽能板下各設置一個線圈，燈光一次只照射到一面，只讓一組線圈通

電產生感應磁場，進而與下方磁鐵作用而轉動。

圖一 小型版（左）與大型版（右）的太陽能磁浮馬達

有了太陽能磁浮馬達讓軸

旋轉，軸的末端可以再放

上磁鐵，並在兩旁設有線

圈（如左圖），馬達轉動

時，帶動末端磁鐵跟著轉

動，讓線圈內的磁通量發

生變化，根據法拉第定律，

圖二：太陽能磁浮發電機

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線圈內磁通量改變會產生感應電流（感應電動勢），於是整個設置變成一個

發電機，線圈接上 LED 燈，LED 就會發亮。原來檯燈的光能轉成電能，電能

轉力學能，又從力學能轉為電能，再轉成光能。事實上，它的發電效益非常

低，不過此教具是為瞭解電磁效應而設計。

我們人體其實是個導體，高頻交流電只會通過皮膚表

面，李俊穎講師拿著一個手搖式發電機，發電機接出

兩條電線，讓大朋友小朋友們雙手各捏住電線的一

端，來體驗觸電感覺。李講師轉動發電機，產生微小

的交流電，電流會刺激皮膚神經而感到微微刺痛。

（圖三）圖三 大家來感受觸電的感覺

物理課本常看到的靜電球出現在演示的現場！

靜電球下方有帶子在運轉，帶子透過摩擦生

電，靜電球經由感應而帶電。一名現場小朋

友觸碰靜電球後，身上也帶電，頭髮因電性

同性相斥，所以頭髮互相排開而豎起來（圖

四）

李俊穎老

師隨後拿

一根金屬

棒，金屬

棒另一側

接地，一

靠近金屬

球產生火

花放電，現場聽到「ㄆ一ㄚ」的聲音，隨

著距離靠近，「ㄆ一ㄚ」的聲音愈來愈

快，老師解釋這是因為距離越近，電子要

跳躍空氣間隙愈容易，所以頻率變高。同

時靜電球的頂端有個突起，將金屬棒靠近

時，「ㄆ一ㄚ」的聲音愈多，這是因為金

屬尖端最容易聚集靜電荷。

◥圖四

現場小朋友觸摸靜電球，頭髮豎起來

◤圖五

靠近靜電球的日光燈發光

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現場李老師再用日光燈管靠近靜電球，結果日光燈發光了（圖五），讓現場

大小朋友驚呼連連。

特斯拉線圈是一個以共振原理產生高電壓、低電流、高頻率交流電的非傳統

變壓器，由 Nikola Tesla 於 1891 年所發明。特斯拉線圈包含一個主電路和

一個次電路，主電路由一變壓器、電容器、火花間隙(spark gap)、線圈（線

圈自感）組成，次電路由次線圈與環面電極所組成（圖六）

圖六 特斯拉線圈電路圖與實品（出處：Wikipedia）

其中火花間隙扮演開關器角色，當電容充電至足夠讓電子跳過間隙，主電路

形成一個 LC 振盪電路，間隙與主線圈器有個移動接點，改變位置可以調整

線圈自感；次電路亦為一個 LC 振盪電路，線圈與環面電極提供一個等效電

容，次電圈受主電圈感應產生相同頻率的電流電壓，當兩者自然頻率相同

ω = 1/√𝐿𝐶，主電路跟次電路產生共振，主電路的電磁能全部轉給次電路，

由於次電路的等效電容低，讓次電路可到達非常高的電壓。將日光燈製於環

形電極附近，因為高電壓讓附近空氣游離，電流流入日光燈管，讓其內的氣

體放電而產生光。

現場李俊穎老師準備了大大小小的特斯拉變壓

器，最大一台放在成大博物館的走廊（如圖

七），還有不同顏色的日光燈管給大小朋友們

測試。隨後放了影片跟大家介紹更大的特斯拉

線圈及它的應用。

圖七 小朋友們利用特斯拉線圈將手中的日光

燈發光。

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李俊穎老師發給大家一人4顆強力磁鐵，要大家試

著拿一個磁鐵放中心，另外三個磁鐵同時斜放在

旁邊，利用同極相斥異極相吸的原理達到平衡，

成功的人可以把四顆磁鐵帶回家當作獎勵，放在

地毯上因為摩擦力較大容易成功。（圖八）

圖八 Yeh～ 我成功了！

1.簡介：

無線充電器利用動電生磁、動磁生電的原理，以兩線圈一個通以交流電產生

感應磁場，另一個線圈因磁通量變化產生感應電流及電動勢(法拉第定律)，

達到無線充電效果。

無線充電技術讓裝置充電變得更加方便，除了針對行動裝置之外，自動駕駛

電動車亦也需要更大功率的無線充電應用。無線充電分布範圍廣泛、僅需利

用弱電就可運作的互聯網設備，則可透過無線充電方式維持運作，更會是未

來主要的應用方向。

2.需要器材：

收納釣魚線的泡棉線軸兩個、漆包線一捆、LED 燈一個、1.5V 電池一個、電

池盒一個，電晶體 2N2222A 一個、剪刀一把、砂紙或打火機(去掉漆包線的

漆)、螺絲與墊片各四個，螺絲起子一個、電阻 1kΩ一個。

3.步驟：

（1）接受端製作（自製）：先在收納釣魚線的泡棉線軸上紮上漆包線 30 匝

並在其二邊線頭接

在 LED 的二腳，做

出 無 線 接 受 端 。

（漆包線兩端要去

漆）

◥圖二：接受端線軸兩面

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（2）發射端製作（現場成品）：

①在另一個線軸上先用漆包線繞

15 圈，漆包線一端留住，另一端

在空中繞一小圈後繼續繞線軸 15

圈，再將另一端用剪刀剪開，兩

端漆包線利用砂紙或打火機去漆。

②中間端互相纏繞變一小引線用

螺絲鎖在木板上，另兩端分別接

至電晶體的Ｅ腳，另一端先接電

阻再接到 B 腳（E 跟 C 搞混沒關

係）並用螺絲鎖緊。（如圖十）

③中間端接上電池負極，電晶體 C 腳接上電池正極，即完成無線充電器

④將接收端放在發射端上方，可看到 LED 燈會發光。

A：關鍵是 2N2222A 這一顆 NPN 型電晶體，在電路裡扮演開關的角色，讓

電流可以從順時鐘至逆時鐘交互變化，產生時變感應磁場。

A：感應電動勢與線圈數成正比，電池提供 1.5V 電壓，發射端與接受端的線

圈紮數比 1:2，因此接受端所感應的電動勢可以驅動 LED 發光。

◥圖十

發射端半成品

◥兩位主講人開心留念

◤我們都愛科普角