教學札記: 驗電筆的小探究

2022/03/18 在雲造與永欽、秀珊老師在虎尾自造中心實作了驗電筆，才開始思考一些問題，驗電筆的構造頗簡單，連接限流電阻(A)+氖燈(B)後，用熱熔膠固定如下圖，就完成了。

思考這些問題，是為了考慮教具的安全性，就看到的下方資料而言，流經人體電流，設計小於 1mA才能確保安全性。

回到幾個疑惑的點來討論：
1. 氖燈規格中，常常提到電流很小，可以直接推斷氖燈電阻很大嗎？答案是不行

就我看到的資料，不能這樣去推斷氖燈的電流，氖燈通電後的電流，是看電源能供應多大，在燒掉前，電流可持續上升，通電後電流與電壓可參考下圖，雖然氖燈設計工作電流是0.5~3mA，但是如果限流沒做好，在氖燈燒掉前，電流可能會繼續上升。

2.氖燈規格中有說明，啟動電壓是60-90V，那是否可以這樣計算人體跟限流電阻承受的電壓嗎?答案是不行。

這個點困擾了我一陣子，如果限流電阻很大，難道不會造成串聯線路中的氖燈啟動電壓不足？更何況人體的電阻值也很大，乾燥皮膚電阻約100KΩ~600KΩ，濕皮膚會直接降到1KΩ。

首先，了解一下氖燈有所謂啟動電壓 (DC 90V、AC 60V)、維持電壓(DC 70-80V、AC 40-50V)、熄滅電壓（略低於維持電壓)，由下圖可以看出，達到啟動電壓後，維持電壓會驟降，依電流值可以用兩種模式發光。如果僅用啟動電壓與設定電流0.0005~0.003A推算，會誤以為氖燈電阻是180KΩ~20KΩ，但實際上氖燈啟動後應該不能這樣推算。

再者，驗電筆使用限流電阻大多是150KΩ~1000KΩ，以通路來思考，我很難理解為何能給予氖燈足夠的啟動電壓，我用 phet 畫了個驗電筆示意圖如下。

然後發現自己的思考盲點被通路迴路綁住了，想通了以後整理如下

(1)手指接觸氖燈的瞬間，氖燈兩極間的電位差，其實就是110V，足以啟動氖燈，與限流電阻跟人體電阻值無關，模擬如下圖。

(2)接著，就是手指接觸連通後，使用150KΩ以上電阻，為何氖燈還亮?難道不會電壓過低導致熄滅?

是的，手指導通電路後，即便用180KΩ當成氖燈電阻，只計算限流電阻而不考慮人體電阻，仍不足以維持氖燈的維持電壓，更何況我手上的驗電筆電阻是1000KΩ以上，所以氖燈會熄滅，但是因為是交流電，即便在通路狀態，火線電壓會降到0然後再拉升到110V如下圖，等同斷電後再拉高電壓到達到啟動電壓，也就是說，氖燈每秒會熄滅再被重新點亮然後再熄滅120次。

(3)最重要的問題也是一開始的問題，如果人體的電阻值不太穩定，那如何設計一個安全的驗電筆?

我認為直接從限流電阻考慮就好，假設交流電源電壓高達130V，想限制電流小於1mA，那至少使用130KΩ以上較安全，如果要使用到220V電源，那250KΩ以上電阻會比較安全。

最後，對於驗電筆的操作發想，胡心如老師的驗電插頭很漂亮，可以參考。而秀珊老師製作的這種，我們覺得可以這樣做(點此下載)，連接限流電阻(A)+氖燈(B)後，將圖中黃框處用熱熔膠固定，然後學生操作時，手持C點將A端插入電源，可以找到火線，然後可以請手指可以改碰B處，學生應該會有點害怕，但是在限流電阻保護下，電流會低於1mA，還是很安全，而此時氖燈不亮，然後再放開B點去碰C點，氖燈會重新被點亮，可以問問學生為何碰C點氖燈才會亮，算是活動中可以穿插的小插曲。