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靜電・電晶體・口罩

電荷偵測器

三顆電晶體、一顆 LED、一顆鈕扣電池，插在迷你麵包板上——不只知道「有沒有帶電」，還分得出正電還是負電，也能檢查口罩的靜電層還在不在。龍騰出版社委製的教具。

看它找出靜電自己試試看
電荷偵測器
  • 3 顆NPN 電晶體串成達靈頓電路
  • 正或負靠近亮是正電，離開亮是負電
  • 3 節課一份完整的教案
  • 1 顆鈕扣電池就能點亮 LED

用偵測器檢查口罩的靜電層。

口罩健康警報器

口罩的靜電層還在嗎

醫用口罩中間那層「熔噴不織布」帶著靜電，靠它吸住細小的顆粒。拿偵測器在口罩上移動，LED 一閃一閃，表示靜電層還在。

新拆封的口罩反應強烈，戴過、洗過的口罩反應就小很多。

為什麼分得出正負

只放大電流
為什麼分得出正負電

一般的驗電器只能告訴你「有電荷」，分不出正負。這個偵測器把一根電晶體的腳折成天線，帶電的東西一動，天線上的電荷就跟著移動，形成極小的電流。

三顆電晶體串成「達靈頓電路」，把這點電流一層一層放大，大到能點亮 LED。關鍵是：電晶體只有在電流「流進」基極時才會導通。

  • 正電靠近天線上的電子被吸往尖端，等效上有電流流進基極，LED 亮。
  • 負電離開被推開的電子流回來，同樣是電流流進基極，LED 也亮。
  • 停住不動電荷不再移動，就沒有電流，不管靠多近都不亮。

自己試試看

靠近亮
還是離開亮

選棒子帶正電或負電，拖著它靠近、離開天線，看 LED 什麼時候亮。

拖曳棒子，靠近或離開天線

棒子帶

棒子在做什麼停住

基極的電流沒有

LED不亮

規則：正電靠近會亮、負電離開會亮；停住時，不管靠多近都不亮。所以只要看「靠近時亮，還是離開時亮」，就能分辨正負電。

示意模擬：LED 亮度跟移動的速度成正比，沒有計算真實的電場。結論跟學習單一致：靠近時亮是正電，離開時亮是負電。

學生版的零件

插在迷你麵包板上

不用焊接，照著說明書把腳位插進正確的孔；課堂上安排約 25 分鐘組裝。

  1. 學生版：三顆電晶體與 LED 插在迷你麵包板上
    1
    電晶體 3 顆

    2N3904（NPN）。第一顆的基極腳折成 90°，當作天線。

  2. 2
    LED 1 顆

    5 mm，紅光；電流夠大時就會亮。

  3. 3
    鈕扣電池與電池座

    CR2032，立式電池座；折腳的角度決定能不能卡穩。

  4. 市面版：迷你麵包板上的電荷偵測器
    4
    迷你麵包板

    所有零件都插在上面，不用焊接。

一個教案，三節課

從黑心口罩到靜電武林大會

每節課都從一個問題開始。

  1. 01

    第 1 節

    破解黑心口罩

    老師示範用偵測器分辨口罩；認識醫用口罩三層的材質與功用；學生自己設計實驗，證明偵測器真的有效，再動手組裝。

  2. 02

    第 2 節

    電荷偵測器的秘密

    各組依自己設計的方法做實驗並發表。用絲絹摩擦玻璃棒、毛皮摩擦塑膠棒，驗證課本背過的「誰帶正電、誰帶負電」。最後從微觀的角度想：只放大電流，為什麼能分辨正負？

  3. 03

    第 3 節

    靜電武林大會

    認識靜電序列，帶來的布料與棒子兩兩摩擦，排出自己的靜電序列表。最後是鋁罐賽車：不碰鋁罐，只用靜電讓它滾到終點，時間短的獲勝。

學習單的問題

偵測器說安全
就一定安全嗎

學習單不只要學生操作，還要他們想清楚工具的極限。

  • 設計實驗

    第 1 節

    怎麼證明偵測器有效？

    塑膠尺摩擦眼鏡布，先確認它能吸起衛生紙碎屑，再拿去靠近偵測器；消除靜電後再試一次，作為對照。

  • 偵測器說有靜電

    延伸討論

    口罩就一定安全嗎？

    不一定。外層破了，中間的靜電層再好，擋飛沫的能力也會下降。

  • 偵測器說沒有

    延伸討論

    口罩就一定不能用嗎？

    不一定。靜電層的電荷很微弱，電池沒電、品質差，偵測器也可能沒反應。

做出來的過程

從研發到出版社的教具

  1. 2020.08研發

    找出最合適的電晶體

    測試了二十多種電晶體與場效電晶體，比較靈敏度與價格。有的放大不夠、有的完全沒反應，最後學生版用 2N3904。

  2. 口罩健康警報器的電路板設計

    2021.11競賽

    口罩健康警報器

    指導學生團隊參加第四屆科學教具創意競賽：四顆 S8050 電晶體、LED 與蜂鳴器做在一片電路板上，一靠近有靜電的口罩就閃燈、發聲。

  3. 電荷偵測器（教師版）的麵包板接線

    2022.01委製

    龍騰出版社教具

    整理成教師版與學生版，寫好製作指南與學習單。

  4. 市面版的電荷偵測器

    2023市面版

    教案、操作說明書、三份學習單

    三節課的完整教案，學習單〈破解黑心口罩〉〈電荷偵測器的秘密〉〈靜電武林大會〉。

紀錄

  • 2021.11第四屆科學教具創意競賽指導學生團隊以「口罩健康警報器」參賽
  • 2022龍騰出版社委製「電荷偵測器」教具，出版市面版教案與學習單

學生會學到什麼

做完之後會知道

  • 靜電感應。帶電物體不用接觸，也能讓導體上的電荷重新分布。
  • 電晶體放大電流。基極一點點電流，就能控制集極大很多的電流；串起來放大更多。
  • 分辨正負電。看「靠近時亮」還是「離開時亮」，就知道是哪一種電。
  • 摩擦起電與靜電序列。誰帶正電、誰帶負電，不用背，自己量出來。
  • 設計對照實驗。要證明工具有效，就要有「有靜電」和「沒靜電」兩組比較。
  • 口罩的材料科學。熔噴不織布靠靜電吸住細小顆粒，也知道工具判斷的極限。

相簿

電路與成品

  • 口罩健康警報器的電路板設計

  • 電荷偵測器（教師版）的麵包板接線

  • 學生版：三顆電晶體與 LED

  • 市面版的電荷偵測器

把電荷偵測器帶進課堂

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