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Take Home Message
．電荷只會在物體間轉移，並不會被憑空創造而出。當帶電物體靠近金屬時，會引發靜電感應，此現象為靜電感測器的物理基礎。
．可運用MOSFET對電場高度敏感的特性，設計出靜電感測電路。透過N型與P型MOSFET分別偵測正電與負電，並以不同顏色的LED顯示結果。
．透過親手製作靜電感測器，不僅能理解抽象的物理概念，也能培養探究精神、問題解決能力與跨領域實作能力。

在平日的課堂上，自然現象通常只是課本上的文字描述、數條公式與示意圖等。但真正的科學並不只存在課本中，而是發生在日常周遭。為了學習與掌握科學的原理，除了課本的知識，透過「動手做學科學」，親自實作學習，不只能在過程中建構知識與技能，更可以激發創意思考，培養出解決問題的能力。

本文以「製作靜電感測器」為例，從操作中建構知識與技能，幫助培養批判思考、解決問題的能力，並增添學習過程的趣味性及成就感，以理解科學原理。

認識靜電從摩擦起電說起

當兩物體互相摩擦時，一物體的部分電子會轉移到另一物體上，因此失去電子的物體帶正電，而獲得電子的物體則帶負電。這種經由摩擦使物體帶電的方式稱為「摩擦起電」（triboelectric effect）。摩擦起電不會創造額外的電荷，電荷只能在物體之間轉移。相互摩擦的兩個物體電量相等、電性相反。例如用毛皮摩擦塑膠尺時，電子會由毛皮轉移到塑膠尺上，使毛皮帶正電，塑膠尺帶負電（圖一）。

圖一｜毛皮與塑膠尺摩擦起電示意圖。毛皮與塑膠尺的電荷起初為電中性，正電荷數與負電荷數相等。經過相互摩擦後，兩物體會帶電量相等、電性相反的電荷。

兩個不同物體摩擦時所帶的電荷正負種類，有一靜電序列（triboelectric series），依照摩擦後所帶正負靜電難易整理成一個順序。以下是摩擦帶靜電序列的示意圖（圖二）：

圖二｜當任兩種物質摩擦時，愈前面的物質會帶正電，愈後面則帶負電。

根據這個序列，兩種物質摩擦時，愈前面的物質會帶正電，愈後面則帶負電。而兩物質序列距離愈遠，愈容易摩擦起電。另外，若一個帶電的物質與一個金屬球相互靠近或接觸時，也會產生靜電感應、感應起電或接觸起電等現象。

本文製作的靜電感測器是透過金氧半場效電晶體（metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET）製作電路裝置，並以感測靜電場的極性做為開關。

什麼是MOSFET？

MOSFET 是一種廣泛用於電子設備的半導體元件，主要功能是作為充當電子開關或放大電信號，它通常具有三個端子， 分別是閘極（gate）、源極 （source） 和汲極（drain）。當在閘極上施加一個特定的電壓時，會在源極和汲極之間建立一個「通道」，進而控制電流的流動。當閘極電壓不足或正負極性相反時，通道則會關閉，電流便無法流動（圖三）。而也因它具有高速切換、低功耗及易於整合等優勢，因此成為電源電路中的關鍵元件。

圖三｜N型（NMOS）及P型（PMOS）MOSFET的示意圖。N型MOSFET閘極施加正壓時，使汲極和源極導通，電流方向是由汲極流向源極。P型MOSFET閘極施加低電位或負電壓時，也會令汲極和源極導通，但電流方向則是從源極流向汲極。

MOSFET可分成N型及P型。N型的閘極加上夠大的正電壓時，會使汲極和源極導通，電流會由汲極流向源極；而P型的閘極加上低電位（或負電壓）時，汲極和源極會導通，電流則會由源極流向汲極。……【更多內容請閱讀科學月刊第676期】