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魔幻熔岩燈的熱學原理

文/陳其威(印尼泗水台灣國際學校物理老師)

熔岩燈(Lava lamp)又稱為蠟燈。名字源於其內雞蛋形狀的蠟滴,讓人聯想到熔岩的流動。熔岩燈於1963年,由英國工程師 Edward Craven Walker 發明,設計靈感來自於 Egg timer,目前熔岩燈有多種形狀和顏色,不同的公司液蠟也有不同的配方。

(圖片來源:Kumar Jhuremalani@flickr)

色彩繽紛的熔岩燈(圖片來源:Kumar Jhuremalani@flickr)

 

(不同設計,使熔岩燈有多種的變化)

熔岩燈的原理很簡單,底座內有顆大功率(40-60W)的燈泡,瓶身由密封玻璃瓶製成,其內含有透明的液體與半透明的彩色液蠟。室溫下液蠟的密度略高於液體,使未加熱的液蠟靜止於下方,然而液蠟加熱後,密度又略低於透明液體,加上熱對流的現象,使液蠟有如熔岩般不斷地上下運動。另外有些廠商會在液蠟內,放一個螺線環彈簧(類似彈簧繞成圓圈圈的形狀),來改變液蠟變化的效果。

熔岩燈簡單的示意圖

熔岩燈簡單的示意圖

通電後,底座內的燈泡加熱密封玻璃瓶,將熱量傳遞給液蠟,瓶內液蠟的體積漸漸膨脹(密度變小),液體也會膨脹,但液體的膨脹係數較小(膨脹效果沒這麼好),加熱十幾分鐘後,液蠟漸漸地會往上浮。

當快浮到水面時,液蠟因漸漸冷卻,密度增加而沉入瓶底,周而復始造成變化的光影效果。但加熱過久(1~2小時),玻璃瓶內全部的液體與液蠟完全被加熱,可想而知,整坨的液蠟會浮在透明液體的上方。

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打開液蠟燈的上蓋,標示:若開啟瓶蓋則不保固的標語

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室溫下液蠟的密度略高於透明液體

使用時要小心,手不可碰觸下方金屬的部分,甚至瓶身下方,因為溫度很高,最高溫可達八九十度C,目前由於環保意識的抬頭,這種發光效率低(發熱效率高)的燈泡已經停產,因此在台灣已經很少看到類似這樣的產品。

參考資料與延伸閱讀:

  1. Lava lamp
  2. How do lava lamps work?
  3. How Liquid Motion Lamps Work
  4. Make Your Own Lava Lamp
  5. Mathmos Lava Lamps(Sotre)

本文轉載自Kiwi的物理教室


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