Tesla's Walker

儀器說明

Tesla Coil-電源供應器：提供穩定的直流電壓。

Tesla Coil-電⼦零件：電晶體、電阻、電線、散熱、銅線圈。

Tesla Coil-漆包線圈：約1000 砸的漆包線纏繞在水管上。

Tesla Coil-氣體：H2、He、Ne、Ar、N2。

Walker-嬰兒油／矽油：製造油滴，並使其在液面上運動。

Walker-喇叭：產生震動。

Walker-放大器及其線材：使輸出訊號放大。

Walker-手機及相關程式：產生訊號。

原理說明

Tesla Coil：

本實驗使用SSTC(Solid State Tesla Coil)，有別於傳統的SGTC(Spark Gap Tesla Coil)，SSTC 無噪音，實驗相對簡單，且變化度很高，壽命長等優點。我們使用SlayerExciter 電路，SSTC 是靠者電晶體做為電路開關，產生磁場變化，導致主線圈與副線圈產生共振，形成共振變壓器，產生高壓高頻低電流的交流電，實驗保證安全！

以下為詳細介紹

首先先介紹電晶體。雙極性電晶體有兩個P-N 接面，分別為基極(B)與射極(E)的接面𝐽E，以及基極(B)與集極(C)的接面𝐽C。以NPN 電晶體為例，當𝐽E及𝐽C都以順向

偏壓接通時，電子流可以從𝐽E及𝐽C通過，且當電子流通過𝐽E後，由於基極(B)厚度設計得很薄，故只有少數的電子被基極(B)的電洞所攔截，造成自基極(B)測到的電流很小，故電流像是直接從集極(C)流向射極(E)，等效於一個接通的開關。反之，當𝐽E及𝐽C都以逆向偏壓接通時，空乏區變大，電子流無法從𝐽E及𝐽C通過，形成斷路，等效於一個未接通的開關。

即是利用電晶體的此一特性使得電路中的電流大小隨著時間改變，當電源剛接通時，𝐽E及𝐽C處於順向偏壓的狀態，故電流可以從集極(C)流到射極(E)，形成一個封

閉迴路（圖三）。

由於一開始電流為零，故主線圈產生的磁場為零，在形成通路後，電流流經主線圈使主線圈產生磁場，進而使一旁的次級線圈的磁通量產生變化，產生感應電動勢，此一感應電動勢使基極(B)的電位降低，讓𝐽E及𝐽C處於逆向偏壓的狀態，因此電流急遽減小，使次級線圈的磁通量產生變化，但與一開始形成通路時不同，此時的磁通量變化是與一開始相反的，故次級線圈產⽣的感應電動勢會使基極(B)的電位提高，讓𝐽E及𝐽C再度變回順向偏壓的狀態，讓電路重新接通，電流又再度增加，次級線圈再次產生感應電動勢使基極(B)的電位降低，整個過程不斷循環，主線圈與副線圈達到共振，能量達到閥值時，可以看到人造閃電（圖四）。由於整個系統的磁場隨時間變化，所以在周圍產生感應電場，當電場大到可以游離瓶中的惰性氣體時，就可以看到氣體發光（圖五）。

Walker：

首先將說明液滴如何在液⾯持續彈跳。在一般的情況下，液滴下落至液面時，液滴與液面之間會產生一極薄的空氣層（約為奈米等級），此空氣層可短暫地阻止液滴與液面結合，空氣膜和液滴與液體間空氣的壓力、液體表面張力、黏性、液滴下落速度、液滴重量及分子間的凡德瓦力有關（圖六），若空氣膜間的壓力能承受其它影響因素，表面張力將類似彈簧床，把液滴彈回空氣，故適當地選擇液體，可以延長液滴與液面結合的時間。這時，若再給予液體一適當的週期性震動源，並使震動加速度在引起法拉第不穩定性（Faraday instability）的閥值之下，液面下的液體流動（圖七）將影響空氣膜，其因為方向向上的液體流動而對空氣膜產生更大的壓力，此過程中會使部分空氣流失，但當液滴被彈起後，空氣得以補償，並進行下一次的彈跳。特別地，在這樣的情況之下，液滴在與液面碰撞時，將產生以其為中心的法拉第波。持續調整震動頻率，使震動加速度超過另一閥值（但仍低於法拉第不穩定性下的閥值），此時由液滴產生的法拉第波將自發性地失去對稱性，使液滴下落時落在法拉第波的斜面上，經由反作用力，被「踢打」（kick）向前。其中，由於法拉第波傳播速度比液滴行進速度快，故在下一次的落下時，液滴會與「上一次」落下產生的法拉第波，進而又被踢打出去，將形成類似等速直線運動的「walker」。

在震動加速度低於walker 的閥值之下，即液滴仍不會走動時，將不同的液滴放置在一起，他們所產生的法拉第波將互相疊加，進而互相影響，並會有以下現象：

1. 吸引與排斥：對於兩顆液滴的質心位置，若疊加後的波如圖八所示 ，則這兩顆液滴將被踢打偏離質心；若如圖九所示，則兩顆液滴將會往質心方向移動，進而結合。特別地，在吸引的情況下，若兩顆液滴中間存在一個疊加的波，則此波將會阻止液滴結合，使它們中間相隔一固定距離。

2. 多顆同步運動：若疊加後的波如圖十所示，此時兩顆液滴將同時被踢打，且間距保持相同，並且，由於波是疊加後的，其疊加的振幅將使震動加速度超過walker的閥值，意即這兩顆液滴將會同步運動。多顆原理相同(圖十一)。

參考資料

Tesla Coil：

1. Gerekos, 2012, The Tesla Coil, June 23, 2007, at the Wayback Machine

2. http://www.kvazer.com/datascheet_pdf/Transistor.pdf

Walker：

1. Y. Couder, E. Fort, C.-H. Gautier and A. Boudaoud. (2005). From Bouncing to Floating: Noncoalescence of Drops on a Fluid Bath. Phys. Rev. Lett. 94, 177801 (2005)

2. Daniel M. Harris, Julio Quintela, Victor Prost, P.-T. Brun and John W. M. Bush. (2017). Visualization of hydrodynamic pilot-wave phenomena. J Vis. Doi:10.1007/s12650-016-0383-5

3. A.Eddi, E. Fort, F. Moisy and Y. Couder. (2009). Unpredictable Tunneling of a ClassicalWave-Particle Association. Phys. Rev. DOI:10.1103/PhysRevLett.102.240401