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「步步來電」- 壓電效應之
製作與演示
劉安治
1謝文山
2 1高雄市左營區福山國小 2台南縣關廟鄉五甲國小壹、緒論
一、研究動機
「壓電效應」在1880 年最早由居里兄弟 (Pierre Curie 和 Jacques Curie)發現，此效應 是指特定材料(例如陶瓷、石英…等)，當外 加施力或拉力使材料變形時，會產生電位差 (電壓)，如圖 1 。二、器材與材料
壓電片、二極體、電容、發光二極體 (LED)、充電電池、木板、、馬達、電錶、 墊片、焊槍、焊條…等。貳、研究目的
研究一、認識“壓電效應” 研究二、尋找關鍵零件 研究 2-1：”交流電”轉成”直流電”的關鍵零 件…「二極體」 研究2-2：簡易壓電實驗 … LED 燈亮起來 研究三、探討壓電片和電壓的關係 研究3-1：四種不同壓電片電壓比較 研究3-2：「外加軟墊」對壓電片電壓的影響 研究四、如何加大壓電片的電壓？ 研究4-1：探討二極體大小與電壓的關係 研究4-2：「增壓電路」的有效利用 研究4-3：探討「增壓電路」串聯發電效果 研究五、探討儲電方式及效果 研究 5-1：尋找有效的儲電方式－來自「手 搖手電筒」的啟示 研究 5-2：連續按壓「步行發電板」電壓值 變化 研究5-3：「步行發電板」對不同電池充電結 果 研究六、生活應用一新式能源「步行發電板」 的誕生 研究6-1：「步行發電板」使用前壓電測試 研究6-2：「步行發電板」在聲、光、轉動上 的應用 研究6-3：在校園中的應用 ~ 小朋友在走廊 步行發電情形生活與物理
金屬片
陶瓷片施力
V電壓
圖1：壓電片受力後產生壓電效應120
參、結果與討論
一、認識「壓電效應」
有些物質會有壓電效應現象, 當外加應 力使它變形時,它在兩側會有電位差; 反之, 若外加電壓它會有機械應變(變形)產生。在 尋找實驗材料中意外發現「壓電片」(圖 2)， 於是進一步做實驗測試，用手”輕壓”壓電片 以三用電錶量測電壓值約為10.7 V(圖 3)，這 結果令人十分興奮。二、
自製簡易的壓電實驗 … LED 立即發光 我們準備一個壓電片、兩條電線、二極 體和電容等材料，先將兩條電線焊接到壓電 片正負極上，紅色電線連接電容與二極體正 極，黃色電線連接二極體負極，裝置如圖4。 在手壓數下之後，電錶電壓持續上升，證明 我們想法是正確的，此時LED 接上電路後立 即發光，如圖5 所示。三、自製新式「步行發電板」
在步行發電盒內放入八組增壓電路(圖 6)，預備將電力充入充電電池中。「步行發電 板」的電壓果然如雲霄飛車般直線上升，壓 電次數越多，電壓有逐漸增加現象，平均累 積電壓值高達13.26 V，如圖 7 所示。 圖2：市售不同型式之 壓電片 圖3：以手壓壓電片產生 電壓有10.7 V 圖4：壓電實驗 圖5：LED 燈瞬間發光 圖6：延伸實驗－「增壓電路」 連續按壓步行發電板電壓變化 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 壓電次數 (次) 電壓 (V) 圖7：壓電次數與步行發電板電壓變化 圖8：在走廊上步行 發電情形 圖9：踏木板後，電 池開始儲電 圖10：LED1 點亮了！121
四、
「步行發電板」對電池充電效果
「步行發電板」到底對充電電池可以充 入多少電力呢？經由 1000 人次步行次數後 (圖 8、圖 9)，發現對”鎳鎘電池”可以充入 0.753 V，相當於 1 / 2 顆 1.5V 電池電力，同 樣對3 號”鎳氫電池”充入 0.220 V，相當於 1 / 7 顆 1.5V 電池電力，兩種電池充電效果十 分驚人。 以下是將電池充電完成後，直接提供給聲(蜂 鳴器)、光(LED 燈)、轉動(風扇馬達)等方面 之實際應用(圖 10~15)。肆、結論
「步行發電板」對充電電池儲電後，電 池經串聯使用，至少已可啟動一般高亮度 LED 燈、3V 馬達、手機振動馬達、炫光七 彩LED 燈、冷陰極管等裝置，相信日後必有 更多應用。 本次實驗最迷人之處在於：原來只是小 小的”壓電片”，竟然可以用來重覆發電，它 的潛力真是不小，又符合價廉(4 元/片)、體 積小、實用性高的條件。 仔細觀察週遭常存在著”壓電”的環境， 捷運站、火車站、百貨公司…等，人潮來往 的地方都適合做「步行發電」，未來更可以推 廣至高速公路、鐵橋、馬路上。如果專家做 好保護設施，相信以”壓”發”電”的時代即將 來臨！ 本文改寫自今年(2008)全國科展及高雄 市科展參賽作品，相關實驗數據、圖表及儲 能部分詳文可至科教館網站參酌[1]。本文章 的第一作者是該實驗的第一指導教師，第二 作者是實際參與討論並提供改進實驗意見的 教師。在此並無所謂抄襲情事，特此說明。 圖11 ：啟動震動馬達 圖12：啟動蜂鳴器 圖13：轉動風扇馬達 圖14：展示板上之綜合 圖15：DIY「步行發電板」122
