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    尖端放电和离子推进器
    作者:见正文    文章来源:周鉴恒 黄俊夫 曾瑞莲    点击数:    更新时间:2009-12-15

    (原载:《科学教育月刊》,20056月,第279期)

    在许多科普著作和中小学教科书中,常提及避雷针,并简单介绍其原理——尖端放电。但尖端放电的现象其实并不容易解释清楚。简单而言,导体的尖端由于电力线集中,电场较强,附近的中性空气分子受到极化乃至于电离,如果导体尖端带正电,空气分子即因正电尖端带走其电子而成为正离子,此时正离子与正电尖端互斥,而加速离开,这些正离子同时带动空气流动,并不断使填补至正极尖端附近的空气电离,重复进行此过程。造成的效果就是正电导体尖端附近的空气源源不断产生正离子;反之,如果导体尖端带负电,强电场亦能使尖端附近的空气分子电离,负离子受斥离开,亦产生带动空气流动的效果。这就是所谓的尖端放电的大概情形。

    虽然中小学生都知道的尖端放电现象,似乎并非很艰深的学理,但在大气中运作的新型离子推进器,却主要是利用尖端放电的原理。就像静电风车(Electric Whirl)产生推力一样,离子推进器不过多加了另一电极,使推力更大而已。

    A

    A 为简易离子推进器【注一】之示意图:其中,木架上方细金属丝与下方裙状铝箔相距28 mm。因为细金属丝的半径极小,而铝箔的形状却是薄薄扁扁的一片,细金属丝和铝箔于是形成不对称的电容。铝箔和细金属丝分别接通直流高压电的负极和正极,因为空气稍微比较容易被电离成带正电的正离子,为了尽其可能产生大量的离子,因此上方金属细丝宜接正极,上方细金属丝因为极细小,所以发生尖端放电而游离空气,产生正离子;下方接负极的铝箔,因面积较大,且形状平滑,附近的电场较弱,不易产生负离子。正离子受到电场加速,在浓稠的大气中向铝箔运动,把动量传给空气,产生了作用在离子推进器上的推力,离子推进器随即寂静腾空,煞是神秘,如视频所示。

     

    这具简易离子推进器不难直观加以理解,不妨打个比方说明,正离子就好似船桨,电场好似划船者的手,手握船桨向后拨动水而使船向前,电场吸引离子向后拨动空气,亦即把离子想成是向后(下)拨动空气的桨,使离子推进器受向前(上)之力。

    不过这种类似直升机滞空演示的方法,用了三根钓鱼线栓住离子推进器,使离子推进器系空滞留,不致于飞走。演示此推进器运动时的特性较受限制。


    注:原文为繁体,本站发布时未转译,但为方便读者阅读,直接将繁体转为简体。

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