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。
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:
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。