书城科普《物理知识篇》(上)(科普知识百科全书)
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第4章 奇妙的电与磁(1)

静电杀手

摩擦能产生静电,一般情况下,这种静电是不至于置人死地的。但是,在某些特殊环境里,静电产生的火花却会酿成惨剧。

1979年年底,西北某工厂为清除试验车间地面上的油垢,用60千克汽油浸木屑,洒在地面上进行清扫。十几位女工蹲在地上擦地板,其中有位女工穿着涤纶衣服。当她擦到一根金属管附近时,她的身体突然对金属管放电,所产生的电火花引起了汽油与空气中氧的混合气体爆炸起火,最后酿成一场大火。在场工作的十几个人非死即伤,而穿涤纶衣服的那位女工死得最惨。为什么会酿成这场惨剧?原来,那位女工在擦地板时,身上的涤纶衣服因人的动作而摩擦带电,人身上带有高压静电,靠近金属管子时就容易放电。加上洒在地面的汽油很容易挥发,汽油蒸气的浓度很大,与空气中的氧气一混合就生成了易爆的混合气体。

这场惨剧告诉我们,在那种易燃、易爆的环境中工作的人,特别要注意静电会引起的灾害。其中最主要的是防止衣服因摩擦而产生静电。

纵火犯是谁

1989年8月12日9时55分,青岛市海港黄岛油库的几万立方米的5号油罐爆炸起火,并又引爆了旁边的4号油罐,接着1号、2号、3号油罐相继起火爆裂,600吨原油泄流入海。大火足足烧了104小时,14名消防官兵、5名油库职工在灭火中献出了生命。大火烧掉了36万吨原油,油库区变为一片废墟,直接损失达四五千万元。谁是纵火犯?

据事后消防专家调查,5号罐虽然装了避雷针,但是,罐内钢筋和金属构件连接不好,造成避雷针接地不完善。我们知道,避雷针分三部分:接闪器(即一根金属杆,它指向天空将雷电接引下来),引下线和接地装置。这三个环节必须质量可靠,紧密结合,如果有一个环节不合适,就可能“引狼入室”。避雷针实际上是“引雷针”,它把闪电引到自己身上,通过引下线和接地装置引入地下。但是,闪电的电流很大,会产生一系列物理效应。因此,制造和安装避雷针时只要出现小的失误,都有可能造成大的灾祸。

调查指出,黄岛油罐顶部铺设的防雷均压屏蔽网的结点与接地的角铁之间未焊牢而只是用螺丝压紧。网与接地角铁的连接点的电阻为0116欧,大大超过了规定的安全值003欧。因此,当油罐上空的落地雷被避雷针引下来时,由强大的闪电电流在极短时间内迅速变化引起非常强烈的电磁感应,使因混凝土剥落而外露的钢筋产生电火花,从而点燃了罐内油蒸汽与空气混合的易爆气体,最后,炸毁油罐并燃起了大火。

由此可见,避雷针的接地是十分重要的。接地接得好,就将引下来的闪电送入地下;接地接得不好,就将引下的闪电送到保护物内部,很容易引起电火花并造成大事故。

鱼群回游

纯水是不导电的,可是水中一旦有了盐分,就变成电解质,电流就可以通了,而且盐越多,水的导电性越好,海水是含有高盐分的溶液,由于海水在流动,地球又是一个大磁场,这很像一根导线在磁场中运动,不就产生感应电流了吗?确是如此,海洋中确实有一个天然运动着的电流。海洋电流的发现,解开了不少自然之谜,鱼群回游就是其中之一。

过去认为鱼群的回游主要是海水的温度以及海流的作用。实验表明,有些鱼类对温度并不敏感,但对电性非常敏感。例如,巴伦支海中所观察到的鲱鱼,只要存在每千米05~1的电位差,它们就会向高电位方向游动。据在巴伦支海的大港摩尔曼斯克的统计,它的沿岸捕鱼量与近海里的天然电流的电位差变化密切相关,在海洋电流的电位差显着增大然后又保持在较高值的日子里,鱼的捕获量显着增加,因为鱼向着高电位方向游过来,然后就待在这较高值的地方不走了。

另外,根据连续20多年的统计,在里海、黑海、亚速海,鲱鱼的捕获量每隔11年有一个从大到小变化的周期,这个周期与太阳黑子的爆发周期正好吻合。根据天文学家的解释,太阳黑子爆发会引发地球的磁暴,而磁暴的出现会使海洋中感应更大的电流,从而把鲱鱼吸引过来,使得鱼的捕获量大增。

交流电大战直流电

电灯是爱迪生发明的,不过,那时候的电灯是用直流电作为电源的。直流电照明系统是直接将电流从发电机输向客户,不再从客户流回发电机。而这种输电方式只能把电压局限在250伏之内,超过这一标准就会烧毁电灯的灯丝,危及用户安全。同时,由于受到升高电压的限制,长途输电就会造成巨大浪费。直流供电系统的这一缺点,在早期的供电系统中不是特别重要,因为当时的电厂就建在人口密集地区。后来,随着用电的普及,那些远离发电厂的、居住在人口稀疏地区的用户也要求供电,于是,直流供电系统无法远距离供电的缺点逐渐暴露出来。相比之下,当时还不普及的交流电供电方式,在这方面显示出它巨大的优越性。因为交流电的电压通过变压器很容易升高,这有利于远距离输电。然后,在输入用户或工厂之前,再利用变压器把电压降下来,以适应用户的安全要求。

交流电发电机是由爱迪生的竞争对手南斯拉夫发明家特斯拉发明的。这种发电机简单、灵巧。而特斯拉早先发明的变压器又能解决长途输电中的电压升降问题,再加上特斯拉又得到美国工业家威斯汀豪斯的支持,因此,交流电供电系统的发展势头强劲。由于有人用交流电把马路上的小狗小猫这些小动物电死,一座监狱的牢头又用交流电通到电椅上把一名杀人犯处死,所以在许多人心目中,交流电一度成了死神的同义词。

但是,交流电一方所受的挫折只是暂时的,在其后几年里它逐步占领了市场。特别是1895年,威斯汀豪斯公司在尼亚加拉大瀑布上建立了交流电的发电站,这在当时是一项了不起的成就,从而使交流电供电系统取得了决定性胜利。

神秘的太空电波

1928年,大学刚毕业的詹斯基来到贝尔电话实验室工作。当时,贝尔电话公司刚安装了横跨大西洋的短波无线电通信线路。詹斯基的任务就是研究短波通信中的各项干扰因素。当时对30米波长以上的无线电波已有了较细致的研究,而对15~15米波长范围内的短波则还没有作过系统研究。为了进行这项研究,詹斯基建造了专门的天线和接收器,接收器的工作波长是146米。在研究过程中,他发现一种来源不明但带有“咝咝”声的天电,并发现它的方向似乎同太阳相关。

本来,詹斯基的工作可以到此为止,因为影响通信的主要干扰都已查明,而这种咝咝声的天电对实际的无线电通信又几乎没有什么影响,通信工程师又何必去为它操心呢?但是,詹斯基没有放过这微弱的电波,他继续积累资料,发现它并不完全同太阳运动相一致,而是每天都要提前4分钟。詹斯基曾向一位好朋友学过一些天文学的基础知识,他知道恒星时的周期比太阳时要短4分钟,因此,詹斯基认识到,咝咝的噪声可能是来自太阳系外的某个恒星,它是随恒星时而改变的。经过一年的监测,詹斯基终于断定太阳系外的某些恒星能发射无线电波。他同时给出了这个固定无线电源在太空中的坐标,指出它与银河系中心相近。

詹斯基的发现是天文学史上的一次大革命,过去人类认识宇宙主要是通过可见光这个“窗口”,但是对于那些不发可见光的“暗天体”就没法认识了。现在,无线电波段(又叫射电)的“窗口”

被打开了,它给人类带来那些只发射无线电波的天体的丰富信息,大大加深了人类对宇宙的认识。

拖“辫子”的电动机

在地壳与大气层的电离层之间,竟存在着有30万伏电位差的大气电场,这大气电场电位虽然很高,但由于空气的电导很小,产生的电流非常微小。

大气电场虽然早被发现,但一直无法利用。人们发现了一种能长久保持带电状态的物质——驻极体以后,有人利用它的开缝效应制成一种新型电动机。这种电动机需要高电压(几千伏以上)和低电流(几毫安、甚至几微安)的电源才能工作,而大气电场恰好具备这些特色。于是一台既不用直流电,又不用交流电的特殊电动机在美国西弗吉尼亚大学问世了,它被称为“大气电场电动机”。

这台电动机拖着两根长长的“辫子”,一根与该大学一幢11层的大楼上的天线相接,另一根与地线相接。这样可以从大气电场那里获得上千伏的电压和1微安的电流,电动机每分钟可转几百次。

大气电场电动机由三个圆盘组成,上、下两个圆盘用铝箔和云母胶合而成,并在铝箔中间开一道细缝,细缝的两边作为电极;中间的圆盘由两块半圆形的驻极体拼合而成,两块驻极体的极性相反。当人们在细缝两边的电极分别加上不同极性的电压时,中间的驻极体就会受到一个与两个电极平行的作用力,于是转动起来。电机的转轴是一根有机玻璃棒,两端用宝石轴承支持着。

目前,大气电场电动机的最大功率已超过100瓦,但如用作动力装置尚有一定距离。如果将来能设计出一种能获得较大电流的天线,使更大功率的大气电场电动机转动,那么,人类就能从大气电场这个天然发电厂里取得廉价电力了。

地磁风暴

1956年2月23日中午,中央人民广播电台的短波广播节目正常播出,中国数以万计的听众正在不同地区听得入神时,突然播音中断了,一直过了36分钟才恢复正常。经过反复检查,广播电台的发射机工作正常,当然全国各地的收音机也不可能同时出毛病,那么,问题出在哪里?无独有偶,英国海军部与其在格陵兰海面演习的潜艇的无线电通信联系也在同一时间中断,当时他们怀疑潜艇失事沉没了。这一连串事故为什么会在同一时间发生?

天文学家告诉人们,他们在此时间内观测到太阳上发生了一次大爆炸,它引起的磁暴(地磁风暴)影响到地球上的无线电通信。

地球像一个巨大的磁铁,它的四周存在着一个地磁场。地磁场有三个要素构成:磁场强度(水平强度和垂直强度)、磁偏角和磁倾角。磁暴往往是突然出现的,各地的地磁要素突然改变它的数值,其变化幅度可以进行到几安/米,并且继续发生急剧的、不规则的变化。在1959年7月14日~15日上海余山地磁台记录到的一次磁暴,从曲线上可看出这次磁暴地磁场水平强度的变化近1安/米。这种地磁强度的剧烈的变化会引起地球电离层的不稳定,而短波通信的信号能传播到全球,就是靠电离层对无线电波的反射和折射。因此,电离层不稳定,严重时会造成短波通信的中断。

产生磁暴的原因和太阳活动有关。每当太阳活动剧烈时,就会出现一些黑子。根据记载分析,太阳黑子出现和增多时,地磁活动也达到最大值并产生磁暴。进一步的观测发现,太阳黑子爆发时会向外辐射大量带电粒子流,正是这些“不速之客”扰乱了地球磁场,引起磁暴。

磁性武器

军舰是用钢铁材料建造的,在地球磁场的磁化作用下会产生自己的船舶磁场。当带有磁场的军舰驶入敌方布有磁性水雷的区域时,水雷的引信就会“感知”到额外磁场的存在,因为它们能根据当地地磁场的特征进行自动调节,排除地球磁场的作用,使指针指向零点。当它接收到“外加磁场”的信号后,就能按事先规定的方式起爆,从而达到炸毁敌方舰艇的目的。这里所谓的事先规定的方式,包括即时起爆、延时起爆、延时延次起爆等。即时起爆即引信感知较强的磁场信号后(这时舰艇已在水雷近旁)就起爆。延时起爆指引信感知到一定的磁场信号时,舰艇离开水雷还有一段距离,根据事先估计的舰艇驶到水雷爆炸的有效半径内还需要多少时间,延迟到这个时刻再爆炸。延时延次起爆是一种更高级的“定时炸弹”,它不仅延时到舰艇靠近时爆炸,而且可以延长到主要舰只靠近时才爆炸。因为敌方的一支舰队出航时,航空母舰、主力战舰往往位居中间,因此可以延次到经过三四艘舰只后才爆炸,以便将主要舰只炸沉。

有矛必有盾,为了减少军舰遭受磁性水雷袭击,人们就设法对舰船消磁,使水雷感知不到额外磁场。办法很简单,利用通电导线中产生的磁场来抵消船舶磁场,使水雷的引信失效。

不要忘记居里温度

钢铁厂里的起重机械特别多,电磁起重机把成吨的生铁原料吊起,运到炼钢炉上面,切断电源后,电磁铁的磁性消失,原料就哗啦哗啦落进炼钢炉。炼钢工人把钢液倒进钢包,再通过行车把钢包运到浇钢的车间。工人把钢水注入钢锭模子,待钢水凝固后拆去钢模就得到成品——钢锭,这时行车又过来把钢锭运走,以便空出地方迎接下一批新钢锭的到来。

钢锭行车的运输效率不及电磁起重机,那么,能不能设计一个大功率的牵引电磁铁,让钢锭像生铁那样吸起来有多方便!可是,这个良好的愿望是不能实现的。问题出在钢锭本身的特性上。钢和铁都是典型的铁磁性物质,铁磁质是由许多体积极小的磁畴组成的。磁畴本身具有磁性,通常情况下各磁畴的排列方向没有一定规律,因此,铁磁质本身不显磁性。如果将铁磁质置于外磁场中,磁畴的大小、方向都发生变化。大多数磁畴按外磁场方向整齐排列,于是铁磁质被磁化,这就是电磁铁能“吸铁”的道理。

当铁磁质的温度升高时,内部分子热运动会影响磁畴的排列,以致磁性减弱;当达到某一温度时,铁磁质将完全失去磁化性质。

这个温度我们称为居里温度(即失去铁磁性的温度,也称居里点)。

经过测定,铁的居里温度是769℃。可想而知,钢锭的温度高达1400℃,稍事冷却后短时间内也有上千度的高温,电磁铁也就无用武之地,不可能吸起钢锭了。

电视机里的“重影”

电视图像不清晰的表现多种多样。其中“重影”是很常见的一种现象,尤其在高楼林立的大城市中更是如此。人们常常会看到荧屏上正常图像的旁边,像幽灵似的出现一个、两个、甚至三四个相同的影子,这样一来,图像就变得模模糊糊了。

“重影”是由反射波造成的。从电视台发送出来的无线电波是“直射波”。遇到高楼大厦时会从高楼的墙面上反射出来,形成反射波。反射波和直射波都会被电视机所接收,直射波在荧屏上显现出正常图像,而反射波就在图像旁边形成讨厌的重影。

一般说来,要是墙面不产生反射波,荧屏上也就不大会出现重影。下雨天建筑物的墙面都是湿漉漉的。因为水是导体,所以潮湿的墙面导电性能变好了。这时,射到墙面上来的无线电波,仿佛有了一条通路,很容易通过潮湿的墙面传导流入大地,就像被墙面“吸收”掉似的,很少出现反射。这样,反射波大为减少,荧屏上的重影变得极其微弱,图像自然比较清晰。