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一根電線就能當收音機

真相追追追

這個有趣現象是發生在陝西的西安,剛開始是工人往塔吊的吊鉤上掛東西時,當手接觸吊鉤的瞬間會被電擊。進而發現以金屬工具去碰觸吊鉤表面時,會持續發出電火花。於是工地主管對塔機的電氣系統進行了檢查,結果都正常而沒有可疑之處,將塔吊的電閘全部斷電後,吊鉤仍然會電人。更怪異的是,當吊鉤接觸到地面而發出電火花的同時,從持續的電火花中傳出了連續清晰的廣播電臺聲音。怪了,塔吊不但會放電,而且還能開口說話。根據提供這則影片者的說法,這可能是一種高頻電磁感應現象,而底下網友的評論則猜測這是礦石收音機的原理。

礦石收音機是一種不需要電池即能汲取廣播電台的電波能量,然後透過耳機轉變成聲能。回想初任教職時,我還教過”電子工”課程,那時就曾教學生做過這種礦石收音機:

1. 火柴盒礦石收音機(由於音量很小只能透過耳機收聽,因此請放大音量,才能聽見影片中的收音機聲響)

2. 原子筆礦石收音機

3. 原理解說

問題來了,礦石收音機需要耳機才能將電訊號轉變成聲音訊號,既然如此,為何以電線劃過地面就能發出聲響呢?其實這就是 Singing Tesla Coil 的發聲原理:

影片3分10秒處那根電線靠近時會發出音樂就和西安工地那根電線的功能一樣,因此是藉由電線的導地來產生電弧,純粹是隱藏在這個電弧中的交流訊號造成空氣分子的振盪因而發聲,並不是PO這則影片者所說的「地層的土質中含有異常豐富的礦質成分或者導­線與鉤子是不同的金屬它倆的接觸點形成了”PN結”」。

不過,通常礦石收音機所能汲取的電磁波功率非常小,為何塔吊能擄獲到這麼強的電磁波能量?唯一合理的解釋就是「廣播電台就在附近」,Google了一下,陝西西安地區有一個陝西人民廣播電台,它的發射機功率是50kW。這樣的輻射功率是相當高的,因為涵蓋台北市、新北市範圍的台北健康廣播電台也不過僅有0.3kW。

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由於這麼大功率的廣播電台就蓋在市中心,只要鄰近的大樓在施工時的某些條件能配合,那麼塔吊的吊鉤會放電就能得到圓滿的解釋。例如1887年赫茲在他的物理實驗室中,以實驗證明了電磁波的存在,他的實驗裝置如下:

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赫茲將一對金屬棒水平放置,中間隔一小縫隙B用來產生放電火花,當金屬棒被儀器A給予正負電荷強到足以產生放電火花時,電流會沿著金屬棒及跨越縫隙而前後振盪,這種振盪器能產生頻率極高的電振盪,足以使下方接收的迴路次級線圈縫隙M產生火花。在赫茲的這個實驗成功之時,他的學生很想知道這神奇的火花間隙振盪器是否可做任何應用,赫茲當時卻只是說:「沒什麼用,這只是一個實驗,驗證了麥克斯威爾的電磁輻射理論是正確的,我們確實擁有這些裸眼看不到的電磁波」。

回來看西安工地的這個塔吊,由地面 → 塔機的塔身 → 塔機的旋臂 → 落下的起升鋼絲繩及吊鉤,共同組成一個近似閉合的大截面導體框(上圖的acdb四邊形),當框內有時變的電磁場時,就會在吊鉤與地面間隙M處產生感應電壓。若時變的磁場與導體框截面積的乘積越大,代表磁通量變化率越高,吊鉤與地面間的感應電壓也就會越大。由於無線電波就是一種時變的電磁場,當工地附近有大功率電臺時,發射功率越大或是距離越近,而旋臂水平橫放時導體框則有最大的截面積,若懸臂恰巧又指向電台天線時,感應電壓就會達到最大值(註:這時我就會問學生為什麼會最大,答對者就會加分),然後以手靠近吊鉤或是以導線將此迴圈封閉時,就會在間隙處形成尖端放電的電弧。至於所產生的電台聲音訊號,則是在跨越間隙時的電火花中,包含了載波所攜帶的聲音訊號(包絡線訊號)。總之,高高的塔吊所形成的巨大天線會放電、會開口說話,這是一個與無線電發射和城市規劃相關的科學問題。

最後來聊聊另一個相關的有趣話題,話說我念大學時,班上有段時間很迷一種遊戲,那就是將無線擴音機的天線綁到避雷針上,然後開始對女生宿舍播送廣播節目。當時那台無線擴音機是可以調整載波的發射頻率,因此我們就會找一處沒有訊號的中波頻段來發射,女生宿舍那邊則會在晚餐過後打開收音機對準這個頻率來接收,節目內容非常豐富,有歌唱節目、談話節目、新聞甚至是物理習題解答教學等。由於當時我是住在校外的教會學生宿舍裡,有一天我負責的演唱結束後就先離開學校,沒想到回到宿舍打開收音機時,遠在幾公里外的男生宿舍所播放的節目竟然還收得到。現在回想起來,那真是一段難忘的美好時光。