2013年2月9日

科學玩具-電磁-硬幣選別機(硬幣彈跳機)


日本科普書籍『愛上物理實驗課(下)』(P150,世茂出版)
稱為硬幣選別機,是一種電子電路與冷次定律的教學演示裝置

在臺南的泡泡龍老師則是把它稱為硬幣彈跳機,並在各個研習場合大力推廣這種中型電路教具。主要的現象是發生在電路接通瞬間,金屬製的錢幣會突然跳離桌面,當然速度是快到會讓人嚇一跳的。

其實這個裝置是利用交流電轉換成直流電的電路,來進行類似湯姆森環的實驗,整個電路牽涉到的原理很多,還包含有橋式整流器與電容等進階電子元件,等著大家去仔細挖掘。此外還可以利用硬幣躍升的時間,計算出最大高度來判斷硬幣的種類。

當然首先要擁有的就是硬幣彈跳機以及日製一元的鋁幣。製作其實不需要特別高明的技術,只要會夾、纏、剝等基本功夫,再加上使用正確的工具能讓你節省很多時間,大約半小時就可以完成一組了。
將漆包線繞成約13~15圈的漩渦形狀,以透明膠帶固定在合板上
並將日製一元鋁幣放在線圈上方

使用步驟則是要注意,首先要將大容量的電容充電完成。白色的雙刀開關切於ON的位置後,家庭用的交流電便經由橋式整流器將交流電整流成直流電,才能對電容進行充電。我們怎麼知道是否充電完畢?會不會充過頭?其實這方面倒不用擔心,因為合板上的白熾燈泡可以充作指示器,由其明暗程度得知充電是否完成。
先對大容量的電容利用110V直流電進行充電
電容大小為2200μF(微法拉第),體積大,價格自然就蠻貴的

充電完畢後,將電容充電開關切於OFF的位置,也就是來自外界的電流不再輸入,目前最有Power,同時也是最危險的地方就是那顆大電容了。接下來將最邊 緣的無熔絲開關切換至ON的位置,並觀察切換開關的放電瞬間所發生的現象。
電路示意圖,各個接點最好以絕緣膠帶纏繞包覆

最後一個步驟是利用電容、漆包線線路和開關進行放電,使從電容釋出的巨大電流瞬間流過漩渦形線圈,並在線圈周圍產生極大的磁場。此時,在線圈上的鋁幣內部會產生感應電流(渦電流),並連帶地產生抵抗線圈磁場的感應磁場(遵循冷次定律),而且這些都是國中生可以理解的範圍。
最後再以寶特瓶將最危險的電容與橋式整流器覆蓋住,避免誤觸而受到電殛

因為兩磁場的互斥力極大,所以鋁幣將瞬間向上躍升,跳離合板。鋁幣彈跳的高度會超過一般人的身高,所以不要在合板的正上方觀察。選用鋁幣的原因很簡單,銅鎳合金硬幣由於其電阻係數較大,故感應電流較小;若想使用質量較小的鋁箔,則因為厚度薄而使電阻大,反而使感應的電流值降低。電流大小與質量大小之間的取捨,也是決定彈跳高度的要素之一。
拍攝時,有出現「異聲」,被數位相機捕捉到,所以請把喇叭打開
比較無熔絲開關開啟後的變化,也聽聽看交流電的聲音

如果要防止放電時由線圈和電容所引起的振盪電流,可以在電容正負極接點上串接可供大電流通過的二極體。電容器在放電後,有時仍有殘存電荷存在,故實驗時應注意勿用手碰觸任何裸露的金屬接點,可以用螺絲起子使電容器的兩端予以短路,使電容器完全放電,但過程中會產生火花,亦請注意安全。

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