高低压电路

美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.1 序 中正大學物理系獲得美國麻省理工學院(MIT) TEAL/Studio Physics Classroom 授權，使用 該系發展出的大一普物 3D 現代影音動態與桌上型實驗教學軟體與教材。目前正籌畫在其校 內設置一個和MIT類似的教學教室，同時將教材翻譯並經過適當的修定，並且加入一些新的 實驗後，期能適合我國大一普物及高中數理資優生物理專題教學使用。使學生享用目前美國 最先進的物理教材與教學理念。 教材系列由國立中正大學物理系湯兆崙、廖先彬及許佳振三位教授自美國引進，並且和 嘉義縣協同高級中學合作將此教材作調整。本工作是教育部顧問室『基礎科學教育改進計畫』 的其中一項，在經費上得到教育部、國立中正大學及協同高級中學的支持。實驗系列內容與 特色簡介如下： A. 特色： MIT TEAL的教材設計中，學生需利用電子零件和焊錫一個個組合出自己實驗內容中所需 的儀器，例如安培計、伏特計、低壓及高壓直流電源供應器、高壓放電設備、電磁波發射 裝置以及電磁波接收器等等，使學生從源頭到結果對實驗的過程有深刻的了解，與一般普 通物理實驗方式中只是對實驗結果的分析與報告的形式不同，教學設計中使學生參予儀器 本身的製作過程，對養成動手操作能力的培養有很大的幫助。這也是目前我們物理實驗課 程所追求的目標。 B. 廣度夠： 整個課程幾乎涵蓋了整個電磁學主要概念，許多電磁交互作用的現象，在學生完成一系列 實驗後便會心神領會。 C. 精心設計： 每個實驗都建立在前面實驗基礎上，完成前面儀器製作才能接著下一個實驗，例如高壓電 源供應器的電源來自前一單元中的低壓電源供應器，不完成前面的實驗難以進行下一個實 驗，學習過程有如挑戰過關遊戲般的興奮，令人鬥志高昂。 D. 便宜的器材，高級的實驗： 整個系列每組實驗所需成本可控制在一萬元以下，對傳統電磁學實驗中經常超過萬元儀器 設備相比便宜許多。例如一般市售電磁波發射與接受實驗裝置，非萬元以上才能完成，而 MIT的教授們卻以電容、曬衣夾及彎曲電線的簡易裝置，設計出可測得電磁波長的實驗， 內容與創意使人折服。 E. 安全： 電磁學實驗中用電安全是重要的課題，在本套實驗中，用到的電源設計為 1V～15V 的直 流電壓，人體並無感覺，而 100～1000V的高壓電，則透過以漆包線圈纏繞電感的變壓設 計，做出高電壓及低電流的電源供應器，即使學生接觸到亦只有指尖微弱的觸電感受，不 影響人體也無任何危險，使教師在實驗室安全管理上減少許多壓力，此套教材真是為初學 者量身訂作的實驗系列。 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.2 F. 配合 3D立體動畫教學： 在 TEAL發展的電磁實驗中，除了在書本中對理解實驗內容所需用到的電磁概念詳細介紹 外，並且對實驗中看不見的電場，磁場及電磁波皆配合 3D立體動畫的形式，將與實驗設 備相同 3D圖形展示出來。同學在觀測本身所完成的實驗設施的同時，亦可藉由電腦上的 3D 動畫和手中的實驗作比較，明白到實驗背後所看不見電磁場交互作用的行為，在腦中 建立完成的電磁圖像。這是我國目前較少見的教學設計，值得借鏡參考。 以上略述 MIT TEAL 實驗系列一些特點，還有許多未能盡述的特色，只有待學生實際動手 參與才能實際受惠。這裡要感謝MIT 物理系的 John Belcher教授完整的授權及 TEAL教學中 心提供完整資訊，使得這套教材有機會在我國出現，國內大一及高中資優生得以享受到更為 精緻且不同風格的物理學習。 中正大學物理系 湯兆崙 協同中學 張世欣 謹誌 2004/6/25 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.3 實驗內容簡介 本套 TEAL Studio Physics電磁實驗專題，內容編譯自 Peter Dourmashkin及 John G. King兩位 任教於MIT教授所著『Electricity and Magnetism Experiments from Kits』書中的內容，為使學 生能在為時約一個星期左右的物理專題教學中完成書中的重點實驗，我們節取其中幾個單 元，使我國參與此一實驗課程的學生能在有限時間內，學習到一個物理專題系列。經過調整 後的內容如下： 實驗一：低壓電流電源供應器（Low Voltage Power Supply－LVPS）的製作與測試實驗 1. 利用電子零件在電木板上焊接出電壓介於 2V～15V直流電源供應器。 2. 利用此供應器，對汽車後霧燈燈泡中 8W 鎢絲的電動勢、輸出電壓和電流作量 測，測試 LVPS的內電阻及電功率。 實驗二：非遵守歐姆定律物體電阻的觀測 1. 觀察燈絲在不同發光強度與溫度下的電阻變化情形 2. 測量鎢絲燈炮的 IV − 圖 實驗三：電容充放電的觀測 1. 測量電容在充、放電過程中電壓上升或下降時所對應時間的變化特徵 2. 觀察串聯與並聯的公式 3. 實驗四：高壓直流電源供應器（High Voltage Power Supply－HVPS）的製作 1. 利用電子零件在電木板上焊接出電壓介於 100V～1000V直流電源供應器。 2. 以實驗一中的 LVPS 作為 HVPS 的電源，觀察高壓輸出是否可藉由 LVPS 的電 壓變化來調整。 3. 利用兩平行金屬環片(華司 washer)進行高壓充電，使環片間的鋁箔因靜電力上 下跳動，測量介電常數。 實驗五：微波發射器（Microwaves） 1. 以 HVPS做電源自製一台微波發射器，發射出電磁波。 2. 利用收音機作為電磁波接受器，觀察所發射出電磁波的相關現象。 期待同學能耐心的將電子零件一個一個的焊接(大多數的同學可能是第一次製作電路)，完成 實驗所需的儀器，獲得美國一流學府所設計的物理教學的學習內容，為自己打下紮實的物理 基礎。 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.4 實驗一 低壓電流電源供應器（Low Voltage Power Supply－LVPS）的製作與測試實驗 簡介(Introduction) 一般我們稱 0～25 Volts（V）的直流電壓為低壓，將 1000V以上的電壓稱之為高壓，能量的 來源有許多不同的方式，並且範圍也相當大，自 gigawatts（109W＝GW）的核能反應至 microwatts（10-6W＝µW）手錶內的電池都是，其來源也有許多，可從核融合、燃燒煤、石油、 天然氣或木材；化學反應、陽光、風力及潮汐等。能量的可藉由許多不同的電壓及電流的組 合傳輸。狹義而言，所謂的電源供應指的是將一種電壓／電流的組合轉換成另一個組合，轉 換過程中我們期待少有能量的損失。 LVP實作內容 本單元中同學們利用電子零件製作一台低壓電源供應器，將來自插座中 110V、60Hz 的交流 電（AC）轉換成一個介於 2V到 12V可調電壓，電流供應最大值為 1安培（A）的直流電源 供應器。 電路設計： LVPS的電路圖如下所示： 變壓器（Wall Transformer） LVPS的第一個零件就是變壓器，主要功能是將來 自牆壁內 110V 的交流電壓轉變成 12V 的交流電 壓。對交流電壓而言，其電壓對時間的函數變化， 可以數學形式中的三角函數來描述： )2sin()2sin()( 0 0 0 φπφπ +=+= ftVT tVtV 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.5 其中 oV 為振幅（最大值），對變化後的電壓而言， VVo 17= 而電壓 VV 172 → 之間變化，這是 因為 sin函數的值會隨著時間在+1～-1之間變化。 如果轉換後的電壓在 VV 172 → 之間變化，那麼為何我們卻以 12V 稱之，所謂 12V 指的就是 方均根（root mean square , rms）電壓，定義為 2 0VVrms = ，主要的目的是在以 P＝V2／R公式 計算電功率輸出能量時，可用 20 ) 2 ( V 的方均根電壓替代 2 0 0 ) 2sin(( ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +φπ T tV 的積分計算過程，得 到一樣的電能輸出值。方均根電壓的平方 20 ) 2 ( V 相當於 2 0 0 ) 2sin(( ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +φπ T tV 對時間的平均值。 上述方程式中的 f即為電壓變化的頻率，定義為 f＝1／T，單位為 sec-1又稱為赫（hertz，Hz）。 如果將電壓對時間的變化的 sin予以繪出，就如下圖所示一般。 橋式整流器（Bridge Rectifier） 變壓器後面接著的是全波橋式整流器（full-wave bridge rectifier），由四 個半波整流器（half-wave rectifier），相當於四個二極體（diodes）所組 成。半波整流器只予許電流單一方向流過，我們用箭頭做符號表示如下： 如果將 sin 波形的交流電壓輸入整流器，則只有電壓為正的半個波可以傳導通過，所產生的 波形繪圖如下： 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.6 四個半波整流器組合而成一個橋式整流器，組成的方式如下圖所示： 我們將交流電壓作用在橋式整流器時，四個半波整流器對電流的導通情形以下面兩個圖來表 示，每個半波整流器的作用就像開關一樣，如下圖左當交流電源的正極在上方時，電流自右 上方的二極體通過，經過左下方的二極體流回電源處，此時左上方及又下方的二極體處於斷 路狀態，不予以繪出。由於電流通過電阻的方向由右而左電阻右端的電位高於左端。當交流 電源的正極換成在下面時，電流的走向則如下右圖所示，此時電阻右端的電位仍舊高於左端。 因此不論交流電源的電壓方向如何轉換，橋式整流器都使電阻右端的電位恆大於左端， 利用這個設計，交流電壓就在電阻的左右兩端成了單一方向的電壓（右端電位恆為正），也就 是被整流了。我們將橋式整流器整理後的電壓對時間的變化繪圖如下： 電容器（capacitors） 電容器是一個儲存電荷的電子元件，所存的電量 Q與電容電端的電壓成正比。 CVQVQ =→∝ 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.7 其中 C為常數，稱之為容量（capacitaure）單位為法拉 [ F ] 定義為 [ 1 F ]＝1C／1V。 電容的形狀有許多，但是基本上是由二片導體中間以絕緣體隔開的結構所形成。當一片導體 充以正電荷+Q時，另一片導體則充負電荷的導體-Q。充正電荷的導體電位高於充負電荷的導 體。大部分的電容器的大小，介於 picofarad [ FPF 1210−= ]到 millifarad[1000µF， FF 6101 −=µ ] 之間。 在直流或交流的電路設計中，電容有許多的功能： 9 儲存能量。 9 電容器和電阻結合可減慢電壓的衰減速率。 9 電容器可用來過濾不要的訊號頻率。 9 在振盪電路設計中缺少不了電容器。 9 電容器和電阻的組合，可製造出與電壓驅動頻率， 相關或非相關的電路設計。 我們將電容器在電路設計圖中的符號表示如下： 使橋式整流器的電壓輸出平整化（smoothing） 經過 1000µF電容器的平整化作用，將自整流器的輸出的電壓，調整成下圖的形式： 電壓調整器（Voltage Regulator） 電路圖中接在電容器後的是稱為 LM317T 的零件，一個 3 個接腳的積體電路（IC）零件，內部由 26二極體，不同大 小的電阻及電容所組成。它可以使電壓的輸出更平整，維 持固定，另一方面也利用回饋（feedback）的原理，決定輸 出電壓的大小。它也可以保護自己不受過大電流的影響， 也可以補償溫度所造成的電壓變化。 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.8 電位計（poten tiometer） 由兩個電阻組成的電路，包括一個可變電阻(5000Ω)及一個固 定電阻（390Ω），可用來調整輸出電壓的大小。有一點提醒， 本實驗將可變電阻其中兩個接腳予以相接通，這樣可以只保 留一部分的電阻和電路有作用。 高頻過濾器 電路輸出前我們以一個 1微法拉（1µF）的電容跨接兩邊的電路，用來除去來自交流電源或是 輸出端兩邊電線任何方向高頻率干擾。 製造低壓電源供應器 參考下面的 LVPS電路圖，同學們先利用麵包板（白色），試著連接這些電子零件，完成後， 用三用電表測試 LVPS的輸出電壓，是否介於 1V～16V之間，如果不能工作請檢查電路的連 接是否正確，直到 LVPS工作正常為止。 完成在麵包板的電路學習後，我們將麵包板上的電子零件放入電木板中（有鑽許多小孔的絕 緣板上），電子零件的位置，盡量集中在電木板一半的面積上，另一半欲留給下個高壓電源供 應器（HVPS）使用，有關麵包板的使用概念，請看教師的講解。 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.9 當同學們按電路圖把電子零件放置在電木板上之後，可用筆在板的背後劃上電線焊接時連接 方式的記號，最後用焊錫將接點予以聯接完成。如下圖所示為組成 LVPS 的電子零件在電路 板上的位置及在電木板的背部電路連接方式的記號。 LVPS完成後的測試 （※注意：眼睛需遠離 LVPS，若是電路接錯，電容有可能爆開！） 1. 將三用電表調整到 DCV50檔位，接上 LVPS的輸出端(注意正負極)。 2. 把 LVPS的電源插上，調整可變電阻按鈕，觀察電表上的數值，讀數應介於 1.2V ~ 15V 之間，或者更高一些。 3. 用指尖輕觸 LM31T的散熱片，觀察溫度是否升高，升高是正常的現象。 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.10 實驗二 非遵守歐姆定律物體電阻的觀測 物體的電阻 R主要是受到形狀、物體本身、材料的性質影響，在通常情況下，為一定值，公 式為 A LR ρ= 其中 ρ為電阻係數，A 為截面積，L 為長度。通常我們在待測物兩端施以電壓 V 觀測物體的 電流 I大小，則該物體的電阻值為”電壓÷電流” I VR = 對電阻為固定值的物體而言，其 IV − 圖如右圖所示，為一通 過原 點的直線(線 A)，電阻的大小即為圖中線 A 的斜率，這種電阻 我們 可稱為遵守歐姆定律的電阻。 並非每一個物體都遵守歐姆定律，當我們對物體做 IV − 測量時，會發現有些物體電阻並 非固定，其 IV − 圖就如是右圖中線 B的形狀斜率不固定一般，這類物體並不遵守歐姆定律。 有許多原因使得物體電阻產生變化，如溫度、摻入雜質等。 實驗內容 鎢絲燈炮的燈絲不遵守歐姆定律，本實驗主要是測量鎢絲燈炮的 IV − 圖，藉此觀察燈絲在不 同發光強度與溫度下的電阻變化情形，同學們明顯的觀察到，溫度對鎢絲電阻值變化的影響。 實驗步驟 1. 調整 LVPS電壓到最小值。 2. 燈泡固定在基座上，利用麵包板按著右圖所示的 電路，將電子零件連接完成。 3. 將三用電表轉到測量直流電壓的 DVC 10 伏特的 檔位，測量電流用的三用電表電轉到 DcmA 250 的檔位。 4. 調整 LVPS，使得燈泡兩端的電壓值為 V1 ，將通過燈泡的電流大小，填入下表中。 5. 逐漸調高電壓至 1.5V、2V、‧‧‧.10V，分別將相對應的電流記錄在下表中。 6. 分別計算表中的電阻值，出填入格中。 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.11 燈泡兩端的電壓 V (Volt) 通過燈泡的電流 I ( mA ) 電阻 I VR = (Ω ) 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.12 分析與討論 1. 利用下面兩個座標，分別對電壓-電流及電阻-電流做 IV − 及 IR − 圖。 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.13 2. 請將實驗所觀察到的電阻變化情形，用一小段文字記錄在下面： 3. 燈絲並不遵守歐姆定律，主要的影響是來自於電流大小的變化，請將背後的物理機制予以 探討。想像電子通過鎢絲過程中會遇到那些狀況，用一段文字寫下你的看法： 4. 本實驗中電壓達 7V 以上，會出現燈泡閃爍的情形，原因為何？你如何克服，並取得 V-I 值？ 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.14 實驗三 電容充放電的觀測 什麼是電容 將正負電荷分別儲存在金屬導體上，即可稱之為－電容。電容的 形狀有許多，但是基本上是由二片導體中間以絕緣體隔開的結構 所形成。當一片導體充以正電荷+Q 時，另一片導體則充負電荷 的導體-Q。充正電荷的導體電位高於充負電荷的導體。電容器是 一個儲存電荷的電子元件，所存的電量 Q與電容電端的電壓成正 比。 CVQVQ =→∝ 電容大小的定義 ( ) ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛≡ 伏特 庫倫法拉 V Q Farad1 即每增加一伏特電位差所增加儲存的電量。大部分的電容器的大 小，介於 picofarad [ FPF 1210−= ]到 millifarad[1000µF， FF 6101 −=µ ] 之間。通常用μF(10-6F)或 pF(10-12F) 作為電容的單位。 電容在整流上的作用 當電源電壓充足時，儲有電荷.電壓失去的時段內，電容放出電荷使得電壓得以緩慢下降，形 成穩定電壓的作用。 電容的電路特性 9 剛開始充電的瞬間電阻為零，相當於一個理想電線。當電充到飽和時，則形成斷路. 9 充放電時的儲存電量（電位差）和時間的關係 ItQV C Q V =∝⇒= 9 電容並聯，相當於獲得一個容量更大的電容 21tot CCC += 9 電容串聯，則容量變小 21tot C 1 C 1 C 1 += 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.15 實驗內容 本實驗利用 LVPS 作為電容充電的電源，測量電容在充、放電過程中電壓上升或下降時所對 應時間的變化特徵，也可觀察串聯與並聯的公式。 實驗步驟 1. 按照右圖中的電路圖在麵包板上連接完成。 2. 將 LVPS的輸出電壓固定在 8V，在未接通開關之前先將電容的二隻接腳，予以短路放電 使得電容兩端電壓值為零。 3. 電容放電後移開短路用線，開關 S1及 S2，皆維持打開（Off）的狀態。 4. 碼錶準備好，將 S1接通電容開始充電的同時，碼錶開始計時，利用下表一記錄下電容兩 端電壓上升過程中，電壓達到 0.2、0.4、‧‧‧、4.8、5.0伏特所需的時間。 5. 電壓達到 5.0伏特時，電容仍會充電，任由電壓繼續上升，這時將碼錶歸零。 6. 將開關 S1打開（Off），將開關 S2接通，這時電容開始放電，電壓下降。 7. 當電容兩端電壓降至 5.0V時開始計時，利用下表記錄下，電壓下降至 4.8、4.6、‧‧‧、 0.4、0.2伏特所需的時間。 8. 將兩個 F1000µ 的電容予以並聯重複前面步驟，將 S1接通電容開始充電的同時，碼錶開 始計時，利用下表二記錄下電容兩端電壓上升過程中，電壓達到 0.2、0.4、‧‧‧、4.8、 5.0伏特所需的時間。 9. 同樣的測量並聯電容放電時的電壓與時間數據，利用下表二記錄下來。 10. 將兩個 F1000µ 的電容予以串聯重複前面步驟，將 S1接通電容開始充電的同時，碼錶開 始計時，利用下表三記錄下電容兩端電壓上升過程中，電壓達到 0.2、0.4、‧‧‧、4.8、 5.0伏特所需的時間。 11. 同樣的測量串聯電容放電時的電壓與時間數據，利用下表三記錄下來。 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.16 表一 電容充電兩端的電 壓 V (Volt) 時間 T ( sec ) 電容放電兩端的電 壓 V (Volt) 時間 T ( sec ) 0.2 5.0 0.4 4.8 0.6 4.6 0.8 4.4 1.0 4.2 1.2 4.0 1.4 3.8 1.6 3.6 1.8 3.4 2.0 3.2 2.2 3.0 2.4 2.8 2.6 2.6 2.8 2.4 3.0 2.2 3.2 2.0 3.4 1.8 3.6 1.6 3.8 1.4 4.0 1.2 4.2 1.0 4.4 0.8 4.6 0.6 4.8 0.4 5.0 0.2 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.17 表二 並聯電容組充電時 兩端的電壓 V (Volt) 時間 T ( sec ) 並聯電容放電時兩 端的電壓 V (Volt) 時間 T ( sec ) 0.2 5.0 0.4 4.8 0.6 4.6 0.8 4.4 1.0 4.2 1.2 4.0 1.4 3.8 1.6 3.6 1.8 3.4 2.0 3.2 2.2 3.0 2.4 2.8 2.6 2.6 2.8 2.4 3.0 2.2 3.2 2.0 3.4 1.8 3.6 1.6 3.8 1.4 4.0 1.2 4.2 1.0 4.4 0.8 4.6 0.6 4.8 0.4 5.0 0.2 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.18 表三 串聯電容充電時兩 端的電壓 V (Volt) 時間 T ( sec ) 串聯電容放電時兩 端的電壓 V (Volt) 時間 T ( sec ) 0.2 5.0 0.4 4.8 0.6 4.6 0.8 4.4 1.0 4.2 1.2 4.0 1.4 3.8 1.6 3.6 1.8 3.4 2.0 3.2 2.2 3.0 2.4 2.8 2.6 2.6 2.8 2.4 3.0 2.2 3.2 2.0 3.4 1.8 3.6 1.6 3.8 1.4 4.0 1.2 4.2 1.0 4.4 0.8 4.6 0.6 4.8 0.4 5.0 0.2 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.19 分析與討論 1. 利用記錄表中的數據和下圖，將電容充電與放電過程中的電壓－時間 TV − 圖形，予以標 示出來。總共有 6組數據，可產生 6條曲線，請標示出米每一組曲線所對應的數據組名。 2. 針對電容充電過程中的 TV − 變化特徵與現象，以一小段文章描述： 3. 將上述電容充電的現象 TV − 變化特徵，背後物理原理與機制，用一段文字討論與分析： 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.20 4. 針對電容放電過程中 TV − 變化特徵與現象，以一段文章描述： 5. 將上述電容放電過程中 TV − 圖現象，背後的原理與機制用一段文字，分析與討論： 6. 電容予以串聯或並聯時，充放電過程中產生的 TV − 圖與單一電容有何不同? 7. 電容予以串聯或並聯時與單一電容充放電過程中產生的 TV − 圖不同，主要的物理機制 為何？用一段文字予以分析與討論。 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.21 實驗四 高壓直流電源供應器（High Voltage Power Supply－HVPS）的製作 一個電壓遠比 LVPS 高可達仟伏特電壓的電源供應器，對接下來要作的實驗中所需的高強度 電場與電波發射都要使用到。本實驗的目標是製作一台電壓介於 100～1000V 之間的高壓直 流電源供應器（HVPS），並且其所產生的電流大小為毫安培（mA）對人體沒有危險。 我們將 HVPS製造在 LVPS同一塊電木板上的另一側，因為 HVPS的電源來自 LVPS。 電路圖設計及說明： 下圖所示為 HVPS的電路圖，主是由三個部分所組成， 第一部份：是將來自 LVPS的直流電壓，藉由電感與電容產生的 LC振盪轉變成交流電壓。 第二部分：利用在電感外面纏繞漆包電線做成一個變壓器，將低的交流電壓調增為高的交流 電壓。 第三部分：利用二極體使交流電壓再轉變成直流電壓，同時以半波倍增（half-wave voltage-doubler）的電路設計整流成為高壓輸出直流電源。 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.22 變壓器製作方式： 一般的變壓器主要是利用主線圈與副線圈匝數的不同來決定電壓的改 變。我們利用電感來製作一個簡易型的變壓器。電感的結構是在軟鐵外 面以線圈纏繞的簡易結構，我們在最外面再以漆包電線繞上 6～10圈， 則可形成一變壓器，因為原有的線圈與外面加繞的線圈都面對同一個軟 鐵內部的磁通量變化。 陶磁電容（Ceramic disc capacitor）： 這種電容沒有正負及之分，任意兩邊都可接正負極，和製作 LVPS 中的電解電 容（electrolytic capacitor）不同。 完成後的範例 (Example) 下圖顯示的照片為一焊接完成的 HVPS，同一電木板上我們以其中一側製作出 LVPS，另一側 則放入 HVPS。 電路測試： 完成電路的焊接後（先不要插上電源），我們將 LVPS的輸出端接上 HVPS的輸入端（注意正 負），將三用電表轉到 1000V 的直流電壓（DCV）的檔位，使 HVPS 的輸出端分別接上三用 電表。插上電源後應可以看到 HVPS的電壓輸出值隨 LVPS的轉鈕位置在 100V～1000V之間 變化。 由於此一 HVPS的輸出功率相當低（約 1W），輸出端所產生的電流對人體而言是安全的。我 們可以將一隻手指同時接觸輸出端的正負極（通常不是一個好的測試電路方式！），你會感受 到一個麻麻的觸電感受（電流小於 1mA，你不會受傷!），甚至可看到放電時的火花。 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.23 實驗五 微波發射器MW-Microwaves 本實驗的目標 - 利用前面單元所完成的 HVPS，製造一個簡易的電磁波發射器。這電磁波發 射器的製造方法，和 120年前無線電波科學家赫茲(Herz) 所製造的第一個電磁波發射器的方 式類似。我們利用 HVPS所輸出的高電壓對兩個與電容並聯的電極充電，利用兩電極之間充 放電的過程中所產生的電場變化，而製造出電磁波。 基本電路製作 1. 利用木製的曬衣夾，在頂端與底部分別置入螺絲，並以角鋼 固定在木板上，如右圖所示。旋轉衣夾底部的轉鈕，控制頂 端兩邊螺絲的間距。 2. 按圖焊接電容(33PF)與電阻(1MΩ)，電容跨接在兩個電極的 接腳長度，以不妨礙曬衣夾的張開為原則。 實驗步驟 1. 調整兩電極的間隙距離至 0.5㎜左右。 2. 將 HVPS的輸出端分別與衣夾上兩側的 1MΩ電阻連接，同時以三用電表測量輸出電壓(轉 到 DCV 1000V檔位)，把電壓調整到 800V附近。 3. 調整兩電極間的距離使之接近，未彼此接觸之前 800V的電壓會使得兩極之間彼此放電而 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.24 產生火花，此時會聽到火花所產生的聲音。放電火花的頻率決定於兩電極之間的間隙距 離、電壓和電容的大小，如果電壓增高，則電容充電時間較短，兩極的電壓較快達到放電 的電壓值使的放電的頻率加快。注意三用電表上的指針，改變 HVPS輸出電壓的大小，觀 察看看放電頻率與電壓的關係是否與前述相同。 4. 將電壓減低使放電的頻率達到最慢我們可以看到兩電極放電時所造成電容內部充電量下 降引起的電壓下降(電容在剛開始充電的過程中兩端電壓值會趨近於零，相當於短路狀 態，待充電量愈多時，兩端電壓也愈高)，這一瞬間下降的電壓使得兩極停止放電，直到 下次電壓回升時再放電。這就是我們會聽到放電Æ停止Æ放電，反覆不斷過程所產生的聲 音。(想一想這個聲音產生的機制是什麼？) 電磁波的偵測 利用市售一般的收音機，將接收波段調整在 AM 1000KHz的位置，使收音機由遠而近的在電 波發射台附近移動。注意收音機產生的聲音變化，觀察你所自製的電波發射台所涵蓋的範圍。 旋轉 LVPS 上的轉鈕，將電壓調降到最低，再逐漸調高直到電及放電為止。聽收音機聲音的 變化，將所觀察的現象和同學討論。 蓋台比賽 將收音機放置在桌上，把兩組電波發射器放置在前方相同方位處，比賽看看收音機所收到的 電波以哪一個發射器為主，逐漸使收音機遠離兩發射器，距離漸遠時仍就可以使得收音機接 收其訊號者，則為勝利。 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.25 MIT LVPS 完成後的測試與實驗 1.LM317T電壓整理元件先不要插入，試一下 LVPS。 2.將之用三用電表轉至 25DCV檔位，測試變壓器副線圈的輸出電壓，讀數應在 17V～18V之 間。 3.移開電表，再將 LM317T插入座內，先將散熱片裝在 LM317T上。 4.以電表測試輸出電壓應在 1.2V～15V之間或更大一點。 1.未接上燈泡前將 LVPS的未負載電壓（no-Load Voltages）調到 2V。 2.將燈泡接上輸出端使電流通過燈泡，測量接上燈泡後的負載電壓（Load Voltage）。 3.依序將電壓調整到 4V、6V、8V、10V、12V、14V、16V直到最大，重複上述 6、7兩步驟。 ※2 檢測 LVPS 每位同學完成的低壓電源供應器（LVPS） 主要是將一般家用 110V，60Hz的交流電轉換成一個 1.2V至大約 17V之間的直流電源，即使 一個 8W，12V的燈泡接上輸出端輸出電壓也不會有明顯變化。 ※1 5.為了確定 LVPS的功能，我們拿一個汽車用的後霧燈（霧燈及煞車燈），內部有 12.6V作用 下 8W及 27W兩種不同的燈絲，如右圖所示，兩個燈絲的一端共同接在燈泡的金屬底殼上， 另一端則分別接到底部的兩個焊接點上，將燈泡置入燈泡底座上，連接底座的兩條電線，分 別與 8及 27W兩個燈絲相接，將 LVPS輸出端的其中一個以電線和燈座底殼的金屬部分接觸， 另一個輸出端則與兩條電線其中的一條與 8W（燈絲為發熱錢的電阻大約 2Ω）燈絲相偕的鱷 魚夾相接，可藉由三用電表的電阻檔（x／Ω）來判斷或者直接接上電源由燈泡發光的情形來 判斷哪一個電線所接的燈絲是 8W，通常較上方的燈絲是我們要的 8W。 ※3 你可以旋轉可變電阻調整 LVPS在未接上負載（燈泡）時的輸出電壓，從最小值 2V、V、V、 V、10V、12V、14V、16V 以及最大值為止。利用下列記錄下列實驗步驟所得的數據， 每個未負載的電壓都按照下列步驟操作： MIT LVPS完成後的測試與實驗 Questions問題與討論 1.未負載時的電壓和接上燈泡後的負載電壓相同的電壓是落在哪個範圍？ 2.說出你如何判斷 8W和 27W燈絲 3.當連接燈泡基座的二條黑色電線，接上 LVPS的輸出端時有何現象發生？你能將燈泡的電路 圖繪出嗎？ 數據圖形分析： 對未接燈泡時 LVPS的輸出電壓（未負載電壓）作為 X軸，接上燈泡後的輸電電壓（負載電 壓）為 Y軸做出 X-Y關係圖。 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.26 參加MIT物理研習營的同學們： 當你們今日正快樂的預備暑假的到來，並且享受暑假的快意時，MIT 的研習營的預備工作卻 為你們不曾間斷，希望給參加的同學有真實的獲得。記住 7月 12日上午 8：40 a.m. 在第一 視聽教室我們將開始一星期的營會，每天在 12：00結束，”不供應午餐”（本營隊已超出預算 許多….流血不止…）。記得要出現!若有疑問在暑假上午期間可打到學校 2213045～213向黃明 正老師詢問。 上帝祝福你們 暑假愉快 教務處，研發室 啟 2004/6/25 美國麻省理工學院 MIT TEAL PHYSICS 教材系列 國立中正大學 CCU 協同高級中學 CMS P.27