揭開「啪嗒！」的真相！全面解密15萬伏特范德格拉夫發電機的驚人秘密！
我是科學訓練師桑子研。每天都是一場實驗。
每到冬天，是不是常有碰到門把時被「啪滋！」電到的經驗？或是在脫毛衣時聽到「噼哩啪啦」的聲音？這些都是物質累積電能所產生的「靜電」在搞鬼。今天，我就要來介紹一個有點神祕、卻超級有趣的科學裝置，它能讓你主動製造靜電，甚至…自由操控（？）它！
「啪滋！」一聲盡在掌握？神祕的圓球——范德格拉夫起電機
這個裝置就叫做「范德格拉夫起電機（Van de Graaff）」。你是不是在科學實驗室或博物館看過，有人一碰到那個銀色大球，頭髮就瞬間「豎」起來的畫面？沒錯，就是它！這個聽起來有點拗口的名字，其實是來自於發明者羅伯特・傑米森・范德格拉夫 (Robert Jemison Van de Graaff) 博士的名字。
有趣的是，這個裝置最初設計出來，並不是當作科學教室的玩具。博士當時是為了開發一種能將粒子高速撞擊原子核的「粒子加速器」，而創造出這款高電壓產生器。也就是說，它原本是用來探索原子世界的尖端研究設備！（有興趣的朋友可以搜尋「范德格拉夫加速器」，你就會知道它有多麼厲害了！）
（順帶一提，關於日本江戶時代的靜電產生器「エレキテル (Erekiteru)」的原理，可以參考這篇文章。）
十五萬伏特的世界！
我個人擁有的是ナリカ (NARIKA) 製造的范德格拉夫起電機。它竟然能產生最高達十五萬伏特的電壓（我是偷偷瞞著家人買的，但這體積…很快就被發現了）。
一聽到十五萬伏特，你可能直覺反應是「電到會很危險！」，但靜電的電壓（伏特）雖然高，實際流經的電流（安培）卻非常小，所以雖然會感到「麻麻的」刺痛感，但並不會造成太大的危險。（當然，心臟較弱或裝有心律調節器的人還是需要特別注意！）一般來說，靜電實驗在乾燥的冬天才容易成功，但這台裝置非常強勁，即使在濕度較高的日子，也能輕鬆「啪滋啪滋」地進行實驗。
使用范德格拉夫起電機，可以進行頭髮豎起、儲電和放電等實驗。舉例來說，用手觸碰范德格拉夫起電機，身體會累積電荷，然後從指尖放電出來，產生「啪！」的一聲。巧妙運用這個機制，就能進行很多有趣的靜電實驗！
出乎意料的簡單？范德格拉夫起電機的「內在」
范德格拉夫起電機看起來就像是某種「瘋狂科學家」的裝置，但它的內部構造到底是什麼樣呢？其實，這個大圓球是可以「喀擦」一聲打開的。來，我們一起瞧瞧裡面…
驚訝嗎？沒錯，裡面就只是一個類似輸送帶（或稱皮帶）的東西。我在ナリカ (NARIKA) 的官方網站上查了一下，我這台范德格拉夫起電機的規格書上寫著…
靜電是透過橡膠皮帶與滾輪摩擦產生，並導引至圓頂（集電球）進行儲存，藉此產生高壓靜電。
●產生電壓：最大約15萬V ●放電距離（約）：最大110mm（濕度40％時）、梅雨季節60mm以上（實際測量值） ●集電球：直徑約215mm ●放電球：直徑約115mm ●電源：AC100V 50/60Hz ●尺寸：約270×210×620mm（集電球）、約150×130×490mm（放電球） ●重量：約5.6kg
范德格拉夫的心臟！運送電荷的驚人機制
范德格拉夫起電機的原理，簡單來說就是「利用摩擦生電，再用皮帶將電荷運送到球體儲存」。當我們把范德格拉夫的球體打開後，會看到裡面有一條橡膠皮帶和上、下兩個滾輪。事實上，這兩個滾輪「材質不同」，正是范德格拉夫最大的祕密！接下來，我們就跟著輸送帶的運轉，來看看它是如何從啟動開關的瞬間，開始累積電荷的。
①【底部】摩擦，產生「電荷」（負電的生成）
首先，當輸送帶開始轉動時，橡膠皮帶會與下部滾輪A（壓克力樹脂製）強力摩擦。物質之間有一個規律，決定了兩種物質互相摩擦時，誰比較「容易帶正電」或誰比較「容易帶負電」。我們稱這個序列為「摩擦起電序列表（Triboelectric Series）」。
在橡膠和壓克力樹脂中，壓克力樹脂較容易帶正電，而橡膠較容易帶負電。因此，負電荷（電子）會從壓克力樹脂上跳到橡膠皮帶。如此一來，橡膠皮帶就帶上了負電（－）。
②【上升】運送，儲存「電荷」（送到球體）
背負著滿滿負電（－）的橡膠皮帶，就像輸送帶一樣向上爬升。接著，它抵達了位於上部球體內部的金屬「集電板」。此時，皮帶運送上來的負電荷（電子）會像「放電」一樣，「啪滋啪滋」地轉移到金屬集電板上。電子可以在金屬中自由移動，因此會瞬間擴散到整個球體，並不斷累積。
③【上部】摩擦，讓電荷「歸零」（正電的生成）
接著，傳送完電荷、變成「空空如也」的橡膠皮帶會改變方向向下運行。這時，它會與上部滾輪B（氯乙烯樹脂製）摩擦。現在，「摩擦起電序列表」又派上用場了！這次的對手是氯乙烯樹脂。氯乙烯樹脂比橡膠「更容易帶負電」。結果與剛才相反，負電荷（電子）會從橡膠皮帶上被氯乙烯樹脂奪走。被奪走電子的橡膠皮帶，就會相對地帶上正電（＋）。
④【下降】同時運送反向電荷（送到基座）
帶上正電（＋）的橡膠皮帶，就這樣向下運行。當它抵達下部的另一個集電板時，這次將正電荷轉移到該處。這些正電荷會累積在范德格拉夫的「支持台（也就是底座）」上。
⑤【重複】朝向高電壓…
皮帶接著接觸下部滾輪A（壓克力樹脂），又回到①「帶上負電（－）」的步驟。這個**「①運送負電 → ②儲存在球體 → ③運送正電 → ④儲存在基座」**的循環，會透過馬達高速不斷重複。
如此一來，上方的球體會不斷累積負電（－），下方的支持台則不斷累積正電（＋）。當大量的負電荷和正電荷被集中到不同位置時，兩者之間就會產生一股「我想要用電！」的強大力量（電壓），進而達到十五萬伏特的高電壓。
靜電不只是單純的摩擦，而是透過「材質的選擇」與「運送的機制」相結合，才能產生如此強大的能量。這就是科學的智慧啊！
有個常見的誤解是，**電子並非從插座流進來的。這個機制其實很簡單。**插座的電力僅用於驅動馬達，而電荷本身是透過「摩擦」產生的。
實驗！球體累積的是正電還是負電？
果然還是要親手做做看才知道！因此，我也來檢驗一下這個靜電產生器上方的球體，究竟累積的是正電還是負電。
https://youtu.be/1u3j8XRYNrg
我們使用的工具是「氣球」。 
用衛生紙等摩擦氣球後，氣球會帶上負電
物質中含有「正電（＋）」和「負電（－）」，當不同物質互相摩擦時，負電荷（電子）會傾向於移動。在氣球和衛生紙的摩擦中，電子會從衛生紙移動到氣球，因此氣球會帶上負電。
那麼，我們把這個帶負電的氣球靠近啟動中的范德格拉夫起電機吧。我使用的是ナリカ (NARIKA) 製造的范德格拉夫。開啟開關後，將氣球靠近…
手一放開，氣球就被排斥了。
氣球很明顯地被排斥了！回想一下科學的基本規則：「同種電荷（－和－，或是＋和＋）會互相排斥；異種電荷（＋和－）則會互相吸引」。帶負電的氣球被排斥，就證明了這個范德格拉夫的球體也累積了負電！
【進階應用】電荷「逃跑了」？神奇的靜電感應
更有趣的是，我們把范德格拉夫起電機的開關關掉後，用手觸碰球體讓電荷釋放（放電）。這樣球體應該處於既不帶正電也不帶負電的「中性」狀態（也就是電荷為零的狀態）。那麼，當我們把前面那個帶負電的氣球靠近這個「空空如也」的球體時，會發生什麼事呢？
不可思議！這次氣球竟然被「咻」的一聲吸附住了！很奇妙對吧？球體明明是中性，為什麼還會吸引帶負電的氣球（＝展現出帶正電的特性）呢？這就是「靜電感應」——靜電中最有趣的現象之一。
球體是由「金屬」製成的。在金屬中，有許多可以自由移動的負電荷（自由電子）。當帶負電的氣球靠近時… 這些金屬中的自由電子會驚呼「哇！負電來啦！」並逃往離氣球最遠的那一側（在照片中，就是我手觸碰的那一側）。
負電荷移動到球體另一側（也可能透過我的身體逃走了）
結果就是，靠近氣球的那一側，因為電子跑掉了而呈現「帶正電」的狀態。因此，它就會吸引帶負電的氣球。這跟用墊板摩擦過的頭髮，會吸附在原本不帶電的牆壁上是同樣的原理。
靜電是「為什麼？」的寶庫
只是開關 ON 和 OFF 的簡單差異，氣球的反應就從「排斥」變成了「吸引」。像這樣，思考身邊的現象為什麼會發生？正是靜電實驗的奧妙，也是科學本身的樂趣所在。
當你在冬天被「啪滋！」電到時，這就是電子（負電荷）從你身上跳到其他物體上，或是從其他物體跳到你身上的證據。偶爾可以幻想一下：「啊，現在電子正在移動呢。」這樣或許會讓生活多一點樂趣。
使用靜電產生器（范德格拉夫起電機），還能做這些超有趣的實驗！
我們也公開了使用范德格拉夫起電機進行的有趣實驗。這些實驗中，有些是曾在電視節目上和廣瀨鈴、鈴木亮平、Yasuko、還有搞笑團體 Chocolate Planet 的 Osada 與 Matsuo 等人一起進行的！點這裡了解更多。
※ 請注意，使用靜電產生器（范德格拉夫起電機）進行實驗時，務必在專業人士的陪同下操作。請謹慎嘗試。若有靜電實驗相關的委託（如實驗教室、電視節目監製/演出等），請由此聯繫我們。
【專題報導】讓人一試就上癮！靜電實驗
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