尖端放电和离子推进器

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(ElectricWhirl)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。

图A

图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28mm。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。

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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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周鉴恒博士专栏

本文因此首创超轻型轨道车，利用这款推进器作为动力，动态演示推进器的功能和特性。材料如下：

一、有小孔的珠珠，近似球形者较佳，一般儿童可用线穿过其中之孔，而串成项链或手链玩具的小塑料珠珠即可；

二、30000伏特直流电源（数毫安培的输出电流即可）；

三、珍珠板若干块；

四、直径0.025mm的钨丝；

五、巴沙木条（模型玩具店或大型钓具店找得到）；

六、厨房用铝箔（就是普通用来烹煮食物的铝箔）；

七、用来绝缘的保丽龙板（厚20mm，面积100×50cm2）若干块、玻璃板、玻璃杯（瓶）、细的塑料棒等。

八、直径2.5cm以上的pE棒；

九、0.4mm直径的钢杆（即尚未加工的钻针）８根；

十、截面积0.4×0.8cm2的铝条两根；截面积0.1×0.8cm2的铝条两根，长约三公尺。

组装步骤：

（甲）直轨离子推进车

一、先将pE棒车出四个直径2cm、厚6mm的车轮，车轮有如火车车轮，轮一侧有延伸凸缘，凸缘凸出轮缘约3mm。车轮圆心有一小孔，直径约0.5mm；

二、以长10cm，宽5cm，厚约2cm的珍珠板制成绝缘的枕木十块；

三、截面积0.4×0.8cm2的两根铝条作为铝轨，相距4.2cm黏在珍珠板枕木上；

四、割一块厚3mm，宽3.5cm，长12cm的珍珠板，板上靠近两端先各画两道（共四道）平行线，平行线相距至少1cm，平行线垂直车行进的方向，把0.4mm直径的4根钢杆黏在平行线上，作为轮轴，如此一来，钢杆制成的车轴，才不容易在电压高达30000伏特的铝轨间造成电弧放电；

五、将四个车轮（凸缘在内侧）装在轮轴上，并以有小孔的珠珠限制车轮位置，使两轮跨距不得小于轨道宽度，以免车行时脱轨。车身的部分即已完成。

六、用美工刀削出长250mm、宽5mm、厚2mm的巴沙木条三根，以及长60mm、宽5mm、厚2mm的巴沙木条二根。用强力胶黏合巴沙木条，先作出骨架。骨架状如一长方形的框框，但两侧之短巴沙木条向前方伸出一小截。亦即制作图一离子推进器的某一部分。骨架最后要竖立在车身上，其两侧伸出的一小截巴沙木条分别在底部和上端，均指向前方。

七、强力胶干燥木架会变得比较坚固，先在木架后方用强力胶黏上剪好的铝箔（长250mm、宽30mm）；再利用木架前方伸出的两截巴沙木架设细金属丝，细金属丝与铝箔相距28mm，作为推进器。

八、把木架框框垂直用AB胶黏在车身上，亦即木架框框垂直地面，框框上的铝箔平行车行方向，细金属丝在前方，并垂直地面。车两侧各安装用铝箔制成集电靴（改用铜箔更佳，所谓集电靴就是简单的长条形铝箔，惟长度足以从车上触及铝轨），轻轻接触下方轨道，一边的集电靴使铝轨和车上推进器的细金属丝导通，另一边的集电靴使铝轨和车上推进器的铝箔导通。即完成直轨离子推进车。

（乙）圆形轨道离子推进车

一、将pE棒用小型车床，车出四个直径2cm、厚6mm的车轮，车轮有如火车车轮，轮一侧有延伸凸缘，凸缘凸出轮缘约3mm。车轮圆心有一小孔，直径约0.5mm；

二、截面积0.1×0.8cm2的两根铝条作为铝轨，经仔细计算圆周和直径，读者可以自行决定轨道之直径，大于1m为佳，如果内侧轨道半径为50cm，则外侧轨道半径即为(50+4.2)cm，分别决定内外侧铝轨的长度。事先贴在木板上面积1×1m2的珍珠板上，珍珠板上同时也要事先精细画出内外侧圆形轨道的图形，先把铝轨弯成圆形，将内外侧铝轨相距4.2cm黏在珍珠板上。

三、这项步骤和第二步骤都要尽可能精密。配合圆型轨道，车身也设计成圆弧形，圆弧形成的圆和圆形轨道为同心圆，经仔细计算车身两侧圆弧之半径，绘妥圆弧后，割一块厚3mm，宽3.5cm，弧长大约12cm的珍珠板，作为车身，板上靠近两端先各画两道（共四道）向着圆心的径向直线，直线相距至少1cm，把0.4mm直径的4根钢杆黏在平行线上，作为轮轴。

四、将四个车轮（凸缘在内侧）装在轮轴上，并以有小孔的珠珠限制车轮位置，使两轮跨距不小于轨道宽度，否则车行时会脱轨。

五、只取图A三角形简易离子推进器的三分之二作为推进器。还是利用巴沙木条、细金属丝和铝箔等制成Ｖ形的离子推进器。

六、把离子推进器安装在车上，车两侧各用铝箔（改用铜箔更佳）制成集电靴，轻轻接触下方轨道，两集电靴分别接通离子推进器的金属丝和铝箔。即完成圆轨离子推进车。

实验操作：

在高电压时，许多平常时候不导电的东西，都或多或少会发生漏电的现象，例如木材，因常会受潮，高电压时绝缘的效果很差。所以要用玻璃板、玻璃杯（瓶）和保丽龙板，架设各导线，使各导线绝缘，使不致于漏电。30000伏特直流电源输出接在铝制轨道上，圆轨离子推进车即快速绕行圆形轨道，周而复始。调整直线轨道之坡度，直轨离子推进车可以爬坡，可概估静止时离子推进器之推力，亦可观察到运动中之离子推进器推力并未明显减少。

注释：

一、警告：高压电源须小心操作，避免电殛。实验场所宜通风整洁，不可有挥发性易燃物。参见周鉴恒，科学月刊2002年9月，奇异的电浆推进器，798–800页。

责编：唐军毅