书城科普透析万物的物理时空(新编科技大博览·B卷)
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第26章 电和磁(1)

梳头时的“淅淅”声冬天,当我们用塑料梳子梳头发时,往往能听到轻微的“淅淅”声,如果在暗处,有时还可以看到微弱的火花,这是为什么呢?

原来,当两个物体相互摩擦时,一方面它们紧密地接触在一起,另一方面摩擦使两物体的温度升高,物体原子中电子的运动加剧。因而会有更多的电子脱离原子核的束缚,并在两物体间移动。由于两物体原子中电子的活泼程度不同,因而摩擦过程中,其中一物体中会有更多的电子转移到另一物体中去。这样,失去电子的一方带上了正电,而得到电子的另一方带上了负电。于是带上电的物体就能够吸引轻小纸屑了。

现在再来解释前面提到的冬天梳头时出现的现象就容易了,梳头时,梳子与头发摩擦起电,带上了异种电荷。当梳子再一次接触头发时,就会放电,从而发出“淅淅”的轻微声音,如果是在暗处,还可能出现微弱的火花。

在我们的生活中,经常会出现摩擦起电现象。在干燥的冬季,有时我们会在一天当中多次“挨打”。比如,早晨我们坐汽车去上班,当身体滑过汽车坐垫时,会被电“打”一下;回到家里,当我们悠闲地走过地毯时,又是一下;晚上临睡前,当我们脱毛衣时,还会来第三下,此时如果是在熄了灯的房间里,还能看到很亮的闪光。另外,在我们开门时,手指也经常会被电“打”。这些都是摩擦起电、正负电荷间放电的结果。

如果是在夏天或较潮湿的地方,这种“挨打”的事情就比较少了。这是因为在空气中悬浮的水珠对电荷具有一定的吸附作用,从而使摩擦后的物体及空气中的电荷减少。

摩擦起电有时会给我们带来危害,因而人们想出了各种办法来加以避免。

大家都知道,运油车的车尾总有一根铁链拖在地上,这就是人们为了避免摩擦起电给我们带来危害而特意安装上的“尾巴”。

运油车里装着汽油,在它开动的时候,汽油会不停地晃动,于是它与油槽壁间发生冲撞和摩擦,使油槽带电。汽车的轮胎是橡胶的,橡胶是绝缘体,因而油槽里产生的电荷不可能通过轮胎传到地下。这样,电荷就会积聚起来,有时甚至会发出电火花。汽油是极易燃烧的物质,遇到火花,很容易发生爆炸。另外,空气中有些灰尘也带有微量的电荷,它们往往会把电荷传到其所停留的物体上。汽车在行驶时,灰尘扬起,会积累在汽油车上,积累多了,就更增添了发生爆炸的危险。因此,人们在油车尾部安装一条铁链,并使其拖在地上,以便把车上产生的电荷随时传到地下,使其不能积蓄起来,以免发生爆炸。

类似的例子在生活中还有不少。比如:在充满易燃、易爆气体、粉尘的地方,一串金属钥匙掉地摩擦产生的电火花,就足以引发爆炸燃烧,所以当人们进入这样的地方时,必须接受严格的检查,交出一切金属物品,以除隐患。

可见,科学能够帮助我们认识许多现象,并使我们能够更好地保护自己。

电阻与温度

我们知道,一切导体都有阻碍电流的性质,这种性质叫电阻。我们还知道,导体的电阻是导体本身的一种性质,它的大小决定于导体的长度、横截面积和材料。

当我们用伏特表和安培表测量导体的电阻时,发现如果待测物是小灯泡,那么当灯泡两端取不同的电压时,测量出的电阻值也不同,超出了误差允许的范围。这是为什么呢?

为了弄清楚这个问题,我们先来看两个小实验。

实验一:把一破损日光灯的灯丝与一小灯泡串联,接入电路中,接通电源使小灯泡正常发光,用火柴烧日光灯的灯丝,会发现小灯泡明显变暗,移开火柴,小灯泡又恢复正常发光。

实验二:把实验一中的日光灯丝换成一镍铬合金,重复上述实验过程,我们会发现小灯泡亮度没有明显变化。

实验一中小灯泡变暗,是因为日光灯的灯丝受热后,其温度升高,电阻变大,导致小灯泡分配的功率减小的缘故。实验二中的镍铬合金丝的温度也升高了,但小灯泡的亮度没有明显变化,一定是镍铬合金丝的电阻没有明显变化。可见,导体的电阻与温度有关,而且不同材料的导体,其电阻受温度的影响是有区别的。

当温度发生变化时,材料的电阻率、导体的长度和横截面积均要发生变化,多数纯金属当温度变化1℃时,电阻率就变化0.4%,而导体的长度一般只变化0.001%。因此,在考虑金属导体电阻随温度变化时,我们就可以忽略导体长度和横截面积的变化。也就是说电阻随温度变化是由于电阻率随温度变化的缘故。纯金属的电阻率随温度的变化比较规则,当温度的变化范围不大时电阻与温度之间近似的存在着如下关系。

ρ=ρ0(1+at)

式中,ρ表示t℃时的电阻率,ρ0表示0℃时的电阻率,α叫做电阻的温度系数,单位是1/度,不同材料的电阻温度系数不同。有些合金的电阻温度系数特别小,所以用这些合金丝绕制的电阻受温度影响极小,常作为标准电阻来使用。

早在很久以前,荷兰物理学家昂内斯,在将水银冷却在-269℃(4.173K)时,水银变成了固体,当再测量电阻时,竟发现水银的电阻突然消失了!这是有史以来第一次发现金属没有电阻的现象,科学家把它叫做超导。

如果用超导体材料做成一个闭合回路,那么在这个回路里一经产生感应电流就可以永远保持着。超导体材料除了电阻消失外,还具有一系列其他独特的物理性质。如果在室温条件下实现超导,电力储藏装置、无损耗的直流送电、超强电磁铁等将成为现实。就人类历史而言,实现室温条件下超导,其作用和地位可以与铁器的应用相媲美。但是在超导现象发现后的八十多年里,超导性没有获得多少应用。这是因为在此期间发现的所有超导体的转变温度太低,必须在液氦(4.2K)温度区才能工作,而氦液化需要复杂的设备和技术,成本太高,不宜大规模应用。

1973年,科学家们找到了铌三锗这种转变温度为23.3K的材料。1986年4月,瑞士科学家柏诺兹和谬勒首先发现了钡镧铜氧多相氧化物的转变温度有可能达到30K。1986年底至1987年初,在高转变温度超导材料研究上,世界范围内出现了戏剧性的重大进展。美籍华裔朱经武率先获得98K超导体,我国科学家赵忠贤获得100K以上超导体,日本科学家开发出123K超导体。

科学家预言,随着超导技术的不断发展,科学上的一个巨大变革的时代正在到来。

电并不一定什么时候都可怕

当我们看到有些鸟儿或是过路的燕子悠闲地停在裸露的高压线上,叽叽喳喳唱个不停的时候,可能会为它们捏一把汗。可我们却看到这些鸟儿叽喳了一阵之后,安全地飞走了。

那么鸟儿站在电线上为什么不会发生危险呢?其实道理很简单。大家都知道,家里安装的电灯有两条电线,一条接地的叫作地线或零线,另一条不接地叫作火线或相线。只有在灯头和这两条线都接通的时候,灯泡才有电流通过而发光;如果只接一条线,电路不通,灯泡就不会发光。停在电线上的鸟儿也只接触一条电线,因而电路不通,它们不会触电。也正是由于这个道理,一些有经验的电工师傅在穿好绝缘鞋与地面绝缘后,可以带电操作,此时只要他们不同时接触两条电线,就不会发生危险。与此相反,当人站在地上而身体触到高压线时,电路接通,因而会有电流通过身体而发生触电事故。这一点应引起我们的重视。

其实,当某人触到高压线时,起初电流较小并不足以致死。但由于电流流过手部肌肉使其收缩而握紧导线,时间一长,皮肤的电阻减小,会使电流达到0.1安培以上,而对我们来说,电流强度在0.1到0.2安培之间是最致命的,因为这个电流量能引起心肌纤维震颤,其结果是血流停止,并迅速导致死亡。因而当发现有人“冻结”在一根电线上时,我们应借助绝缘物质使其尽快与导线分离,以尽量挽救其生命。

摩擦起电

经过摩擦的钢笔杆、塑料尺能吸引碎纸片;用塑料梳子梳头,头发会随着梳子飘起来;穿、脱化纤衣服时,能听到轻微的噼啪声,在暗处还能看到小火花。这些都是一种带“电”现象。

最早发现“电”现象的是古希腊人。他们在加工琥珀等装饰品的过程中,发现了一个奇怪现象:刚刚磨制过的琥珀能吸引毛发、线头等小东西。当时谁也解释不了这种现象。因为它是发生在磨制后的琥珀上,所以把这种现象叫做“琥珀之力”。后来由希腊文“琥珀”一词演变出“电”这个新词。

这种“电”现象是由于摩擦引起的,人们就叫它“摩擦起电”。这件事引起了学者们的注意,许多人开始研究“摩擦起电”,还制造出各种形式的电器来进行实验。科学家们发现,摩擦产生的电是不流动的,因此,把它叫做“静电”,或者“静电荷”。

电荷有正电荷、负电荷两种,它们同性相斥,异性相吸。静电荷总是向四面八方伸出无形的“手”,它能够把跟自己性质相同的电荷推开,把跟自己性质不同的电荷拉过来。带电体就是通过静电场的作用,使靠近它的导体中的正、负电荷发生分离,并把同于自己的电荷赶到远离自己的一端,把不同于自己的电荷吸引到靠近自己的一端,这时导体对外显示出电性;把带电体移去,导体里的正、负电荷又回到原来的位置,对外不显电性了。

这种带电体不接触某导体而能使导体暂时带电的现象,叫做“静电感应”。云层在飘浮的过程中,由于摩擦就带上了电,在它的周围形成了电场,使电场内的导体感应起电。这就是那位科学家“怒发冲冠”的秘密。

为什么物体摩擦后会带电呢?这得从物质的内部结构说起。

我们知道,物质是由原子或分子组成的。原子的中心有一个带正电的原子核,围绕原子核旋转的是带负电的电子。在正常情况下,原子核所带的正电荷数跟核外电子所带的负电荷数相等,整个原子呈中性,对外不显电性。因此,由原子组成的物体通常情况下是不带电的。

当两种物体相互摩擦时,一种物体中的电子因受原子核的束缚较小,跑到另一个物体上去,使得到电子的物体由于其中的负电多于正电,显出带负电,失去电子的物体由于其中的正电多于负电,因而显出带正电。这就是摩擦起电现象。

电荷的流动

在实践中人们发现,铁、铜、铝等金属和盐、碱的溶液都能够传导电荷,这类物质叫导电体;而橡胶、陶瓷、玻璃等却不能传导电荷,这类物质叫绝缘体。

导体能把电荷从一个地方转移到另一个地方,电荷沿着一定方向移动就形成了电流。是什么使电荷流动呢?

产生电流需要三个条件:一要有电荷;二要导线两端的电位高低不同,以便形成电位差(即形成电压);三要把电路接通。三者缺一不可。

电流在导体里流动的时候,它的流向、速度都有规律。

人们在对电流研究的初期阶段,根据水流形成的原理,认为电流也是从高电位流向低电位的,也就是从正极流向负极。随着科学水平的提高,科学家们进一步认识到,金属中出现电流实际上是自由电子移动的结果。它是从负极流向正极,和当初规定的电流方向恰恰相反。但现在仍沿用习惯从正流向负。

电荷的多少叫做电量,它的单位是库仑。物理学中规定,一秒内通过导体横截面的电量叫做电流强度,它的单位是安培。

电荷的传导速度是指电场的传播速度,经过实验测量,它和光的速度一样,也是每秒30万千米。

要想得到持续的电流,必须有一个不断提供能量的装置,这样的装置叫做电源。于是产生了各种各样的电池,来充当提供电能的电源。

电池为什么能发电?原来,铜板和锌板插入酸、碱、盐的水溶液中,会发生化学变化。锌比铜活泼,容易失去电子,在锌板失去部分电子后,它和铜板之间产生了电位差(电压)。当用导线把两个极板连接起来的时候,在这种电压的作用下,电子就由锌板通过导线流向铜板,形成了电流。只要化学变化不断发生,导线就有持续电流通过。

电流通过导体的时候,导体对它有一定的阻碍作用,人们把这种阻碍作用叫做导体的电阻。

科学家通过精密的实验测得:导体电阻的大小跟导体的长度成正比,跟导体的横截面积成反比,还跟导体的材料有关。这个规律叫做电阻定律。

不同材料制成的导体,电阻大小不相同。例如,长短、粗细都一样的导线,铜线的电阻比较小,铝线的电阻稍大,而铁线的电阻更大。

我们已经知道,电压是形成电流的原因,电阻是导体对电流的阻碍作用,那么导体中电流的大小(电流强度)跟它两端的电压和它本身的电阻有什么关系呢?

德国的物理学家欧姆经过反复的实验和细心的研究,终于在1827年找出了电流强度跟电压、电阻之间的关系:导体中的电流强度跟这段导体两端的电压成正比,跟这段导体的电阻成反比。这个规律叫做欧姆定律。写成公式就是:

电流强度I(安培)=电压U(伏特)电阻R(欧姆)为了纪念欧姆的伟大贡献,就用欧姆的名字作为电阻的单位。

做功和电功率

我们知道,电流从灯丝中通过时,电能就转化为内能和光能;电流通过电动机时,电能转化为机械能和内能;电流从电炉通过后,电能就转化为热能。通过各类电器把电能转变成其他形式的能,这就是电流做功。