自然之旅－高中部

◎ 隊名：超導超安全真的很安全對不隊
◎ 隊長：王竣鋒

◎ 隊員：林奕均　洪才雲　楊筑方　游知澔
◎ 指導：陳金楓老師

前言：高中部陳金楓老師指導五位高三學生王竣鋒、林奕均、洪才雲、楊筑方、游知澔，以作品「高樓火災緩降逃生裝置」參加九十二年十月底由教育部與國科會在高雄市國立工藝博物館舉辦的第二屆「高中生高溫超導磁浮創意競賽」決賽，在全國共一百四十一隊初賽隊伍、二十四隊決賽隊伍激烈競爭下，脫穎而出，榮獲金牌，並獲頒三萬元獎金。編者特別邀請五位同學跟全校師生分享此作品的原理以及他們的經歷與心得。

「高溫超導體應用－高樓火災緩降逃生裝置」

作品簡介

一、摘要

現代都市裡的大樓往往缺乏有效率的火災逃生裝置。這件作品為利用二類超導體之完全反磁性原理，製作的逃生緩降梯，緩降機制的主要來源為完全反磁性，釘扎效應與冷次定律，藉以上三種向上之磁斥力抵抗向下之重力
，達到減低落地衝力並安全逃生的最終目的。

二、動機與目的

火災頻傳，時常耳聞有民眾因為逃生不及而直接跳樓墜地死亡的慘劇。

繁榮的大都會中，高聳的大廈林立，假設住戶身處於十五樓的火場，要如何能在短時間遠離災難現場？直線垂降似乎是最快的辦法，而逃生梯，安全門，緩降繩等目前的逃生設施往往不能於最短的救援時間達到最好的救援效果，重力加速度所造成的衝力亦絕非人體所能承受的。

因此在火災發生時能「安全迅速的逃生」是我們的靈感來源與設計目的。

三、構想

我們在不斷改良、創新並完善構思下得到現在完整的設計圖。

在這之前，這整件作品原本是一個荒謬的幻想，我們最原始的想法是要一個人抱著一塊超導塊材跳入一條滑水道。

E先生：反磁…真是神奇阿…　　S小姐：大樓逃生裝置…

F先生：乾脆抱著一塊超導體跳下去算了…（一陣大笑）

C小姐：那你到底的時候還翻過來被夾死哩！

K小姐：…（全體無言）

後來仔細想想，超導體的完全反磁性用於逃生似乎也並非不可能。於是，在不斷的加加減減之後，我們當初的純為一個幻想轉化為實際的設計圖與模型，現在呈現在此的作品也就此出爐了。

四、設計

本逃生梯應用之理論主體，最初為超導體的完全反磁性，而想要抵銷重力加速度，裝置必須能產生一定強度的外力，若單純以完全反磁性論之，裝置必須具有強力外加磁場方能產生強大的反磁力。

但強力永久磁場對人體機能與居家環境有負面影響，所以我們便想到利用螺旋線圈負載電流產生感應磁場。

又在火災等意外發生時，電力供應常常中斷，故選用外加電場並非保險之策，故在裝置外牆內裝置主線圈，令逃生椅內裝載磁鐵並下降通過，產生感應電流，以供應螺旋線圈感應磁場之需。
而座椅內部之磁鐵同樣不宜為永久磁鐵，故我們選用具零電阻效應的超導線材，其具有通以定量電流便能產生穩定且持久之磁場之特性，更有利於逃生座椅在平日家庭的存放。

如此主架構便有了定論。

細部設計部份則考慮到在實際用途上的實用性，加設座椅下滑軌道，彈出式閘門，入口管制感應開關等，希望在這個設計構想能真正付諸實現時，有最佳的周邊安全與控管措施。

我們的設計運用超導線圈零電阻，二類超導塊材之反，鎖磁效應及銅線圈感應起電的原理，使這整套逃生設施平時不具有永久磁場，不致於影響居家品質。我們不斷的要把設計最佳化，並增進我們最後階段的細部裝置，使整體設計更為完善並提高安全保障。

五、原理

（一）二類單晶超導塊材性質

    邁斯納效應 Meissner Effect

  （完全反磁性 Perfect diamagnetism）

    釘扎效應 Pinning Effect

（二）超導線圈性質

     零電阻效應 Zero Resistance Effect

（三）電磁感應

    電磁感應 Electromagnetic Induction

    電流磁效應 Magnetic Effect of Current

    冷次定律 Lenz's Law

六、方法

（一）二類超導線材應用

以二類超導線材纏繞成線圈，置於低溫的環境下並導入電流將產生強力磁場。由於零電阻效應
，其穩定之高電流可製得超導磁鐵。以此超導電磁鐵代替一般強力磁鐵，則可防止強磁場干擾家用電器，影響住戶生活品質。

（二）二類超導體應用

座椅內載超導電磁鐵，通過主線圈產生感應電流，於是有冷斥定律的發生。逃生座椅內的超導材料經過一連串磁場方向互異的通電銅製副線圈，其完全反磁性及二類塊材的釘札效應預期將會隨著高度的變化而逐次削弱下降的速度。

接近隧道底部時，主線圈之感應電流使底端形成與座椅底部超導電磁鐵相反磁極方向的電磁鐵
。超導材料的完全反磁性抵銷了座椅下降的衝力，使座椅終端速度降到零並呈懸浮狀態，座椅停止運動，主線圈亦不再有感應電流產生，如此便達到安全逃生的目的。

七、裝置運作流程

八、結論

（一）應用二類超導體完全反磁性與釘扎效應等的確能有效抵銷重力加速度，減緩下降衝力。

（二）本逃生梯設計若在未來能改善技術層面之問題，的確能發揮其特有之緩降機制，將創意與實

             用有效結合，達到廣泛應用超導技術的目的。

心得分享

「一起向物理滿分，全國第一前進吧！」半年前的生日卡片上筑方寫道。沒想到我們真的一舉在這次的超導比賽中得到全國金牌。

經過了漫長的一年半，闖過了層層的關卡，最後階段就是將我們的創意化成現實模型。現實和理想總是有差距的，本來周詳的考慮和時間規劃到最後常常被挫折打亂。

比賽前最後一個月，是最忙碌又混亂的一個月，時間不斷的逼進，而進度又不如預期的順利。我相信我們都有萌生過要放棄的念頭，但我們總算在互相鼓勵中撐過來了。

我們隊員是最神奇的組合了！五個不同專長興趣的人湊在一起，彼此激發靈感，在個性上又互補，呈現了最完美的作品和絕佳的默契。這次的共患難經驗實在太難得又珍貴了（是有點老套的說法，但是卻最貼切），我相信這會是一輩子的記憶（應該沒有其他人像我們一樣幾乎一個禮拜沒回家，日夜不停趕工的經驗吧？）。我還要特別感謝我的隊友們，對不起都是我的雞婆害你們得累的半死一起「共患難」，真的謝謝你們。我們會永遠是那「一意孤行」的一群！超導萬歲！

∼洪才雲

從高一下學期決定參加比賽至高三決賽，從一張草稿到模型完成，經過中研院的研習課程，初賽企劃書的審評，科工館的決賽說明會及最後的決賽，一年多時間的過關斬將，在決賽前才真正感受到緊張的氣氛。

在決賽前五天，日以繼夜，不停的工作（人往往在最後關頭才知道要加緊腳步努力）。磨線圈
，纏線圈，接線圈，組裝大樓，安裝光電管，製作投影片…，最令人印象深刻的，就是那不計其數的漆包線圈了。而線圈數量多到「磨」，「繞」，「接」的動作已像機器般熟練。努力了一百二十個小時，直到決賽前幾個小時才做出令人滿意的結果。

這次的比賽讓我不只學到有關高溫超導的知識，還學到很多在書本裡學不到的東西，而這些東西必須自己去體會。我們之所以能成功，正是因為我們堅持原來的理念，到最後一刻也不放棄，才能打敗其他隊伍，抱走金牌。

∼楊筑方

對於這件事情，除了感動以外，還有什麼能說的呢？埋頭苦幹的感動，苦中作樂的感動，又哭又笑的感動。雖然有許多激盪的情緒現今已逐漸平復，但回憶起來，心中還是一陣漣漪。尤其是比賽前最後五天，我們五人日以繼夜、廢寢忘食的趕工，那種危機迫在眉睫的感覺，促使我們五人拋棄一切事務，彷彿上戰場般地同心協力，這時才深刻地了解到，何謂患難見真情。那時我們所做的事情，現在想來真是宛如天方夜譚，光是連熬五天夜就罷了，這五夜在昏頭轉向之餘還一手拿著線圈一手拿著鉗子死命地又磨又轉，五天下來，男生不論，女生的三雙嫩手早已千瘡百孔慘不忍睹。但，幸運的是，我們再累的事情也熬下來了，沒有轉移初衷，只是義無反顧地向前猛衝，就像是沒有後路的一意孤行，而這堅定又似頑強的意志，在我看來，正是我們能致勝的關鍵。

總之這五天下來的回憶，將是我高中生活的一塊瑰寶。

∼林奕均 (沁)

在獲獎的瞬間，數日艱苦的回憶將狂喜推往了高峰。在那些焚膏繼晷的夜晚，熬夜的痛苦是筆墨難以形容的；更別提期間因意見分歧而造成的冷戰以及紛爭。

但是，我們仍舊堅持繼續下去。

從過程中我覺得在知識的學習上得到了很大的收穫。從對超導體零概念開始，我們在大量的電磁學資訊轟炸還有材料所廖博士的指導下，創意的構想逐步成形。有趣的是，創意總是萌芽於慵懶的氣氛中。在咖啡店的下午，靈感在閒聊之間就突然發亮。原來科學也需要情趣的醞釀。

有了構想之後，就要運用基本的電磁原理來實踐模型。而團隊依舊是在漫談之中規劃出其所呈現的架構。知易行難。科學研究的挫折必然出現在實際操作的過程中。當我渾身疲憊的看著失敗的呈現，悵然若失的心情不言而喻。好在有隊友們彼此互相勉勵，癥結才得以改進。

在研究過程中，與人的相處也是課題之一。互助絕對是成功的前提。意見交流還有分工合作，研究才得以有效率進行。

如果要問我致勝的關鍵。我想那是因為堅持。堅持創意的理念；堅持負責的態度。這一份堅持領導著我們成功。當然我還要感謝我的家人還有師長們所給予的肯定態度。從此我將抱著更大的興趣來挑戰科學研究。

∼王竣鋒

超導，對我而言已經成為許多事物的代名詞。

當我說超導那些人，指的是北四十三，超導超安全真的很安全對不隊，指的是沁（奕均），才雲，筑方，王竣鋒還有我五個人。當我說我要做超導，指的是我要一個人在書房裡作簡報畫設計圖
，或放學之後到市區買材料，背著大包小包回家，或五個人一起不上課，熬夜不回家日以繼夜的纏線圈。當我說我要去比超導，指的是在十月二十四日下高雄，要在全國學者專家面前代表著國立新竹科學園區實驗高級中學，展現我們的成果。當我說我們超導得金牌喔，指的不只是我一個人的成就，而是由我們五個人的心血共同堆砌而成的堅不可破的情感與信念獲得一致的肯定。

如此，超導便不再只是一個擁有奇妙現象的技術名詞，而轉化而成為有著五個人共同的情感連結的獨立生命體。

在清大星巴克開難得到齊的小組會議，吃著昂貴的蛋糕，喝著咖啡，我們愜意的躺臥在冷氣房裡，漫天幻想著。在清大材料所的會議室裡與廖延宗博士討論，五個高中生背著五顏六色的背包出現在嚴肅的教學大樓，輪流轟炸著坐在對面聽的一頭霧水的廖博士。段考完，放學後留下，佔據整個高三三教室，趕走高三一貫無奈的沉悶氣氛，放著輕快的音樂，我們悠閒的分頭進行模型美工與製作座椅，然後在深邃的星空下，兵分兩三路搭彼此的便車回家。

我們很早便決定了作品的方向，接著便從來沒有更動過。

接下來便是你們看不見的，比賽前五天我們不放過一分一秒的努力不懈，磨光了一千六百個漆包線接頭，夾緊了八百個連結端子，還把八百公尺的漆包線圈分層纏入一個底座十三公分見方，高兩公尺的模型裡。

這個比賽讓我們擁有的一切，起因大概就是我們過分樂觀的心態吧。一方面因為比賽前九個月的準備時間都被完全浪費，才讓我們在最後五天不顧一切代價的專心製作，也才有現在這種回想起來刺激且富戲劇性的回憶。另一方面在輕鬆的態度之下，我們在這五天裡，卻也以無比嚴謹的態度看待我們的作品。不論時間的緊迫，不管身心的勞累，有一股無以名狀的堅持，讓我們把模型的美觀與實驗實際效果加速趨向最佳的狀態。

在我們五個人之中，才雲有無限的創造力與絕佳的操作能力，筑方則有無比的細心與耐心，沁有的是冷靜的邏輯思考與超強的耐力，王竣鋒則隨時提供我們逆向思考的方向，而我則是對完美的堅持吧。有了這五個特質，並缺一不可，才得以將我們的理想化為臻於完美的成品。

∼游知澔

▲將多達一千六百個　漆包線頭磨去外漆
　，並且以連接端子　兩兩相連。

▲第二層線圈纏繞。

▲決賽實況。教授對  
    我們的專題提出疑
    問。

▲五人隊伍和我們的
    心血結晶合照，由
    左至右後立者為王
    竣鋒、游知澔；前
    排為楊筑方、林奕  
    均及洪才雲。