书城科普《物理知识篇》(上)(科普知识百科全书)
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第5章 奇妙的电与磁(2)

另外,下雨天天空中充满了雨滴。车辆和工厂内的用电器具产生的电火花也会被雨水吸收,变得很微弱,它们对正常的电视图像的干扰也大为减弱,这也是电视图像变得比较清晰的一个原因。

人工鼻子

人的鼻子很灵敏,能嗅出多种气体的“味道”来。但是,对于某些特殊要求它就无能为力了,例如,人的鼻子就嗅不出氧气的浓度来。然而,用氧化锆固体电解质做成的“人工鼻子”,能嗅出百万分之一的氧气浓度来。把它装在锅炉烟道中,可以监测其中的氧气浓度,从而可推算这台锅炉的燃烧情况。这对于节约燃料、减少锅炉燃烧时对大气的污染、实现锅炉运行的自动监控等都有重要的意义。

“人工鼻子”嗅觉是怎样产生的?这要从电解质谈起。电解质一般是指在水溶液中或在熔融状态下能导电的化合物,如酸类、碱类和盐类。20世纪60年代以来,人们发现有些银盐(如碘化银、硫化银等)及有些金属氧化物(氧化锆等)在低于熔点的温度下,甚至在室温时也能像电解质那样具有导电的本领。人们把这类物质称之为“固体电解质”。

这些固体电解质有一个特点:在它们的外表涂上一层多孔性金属电极层后,它们的负极就会吸附一定的气体(例如氧气)分子,使气体分子获得电子变成气体离子,然后通过中间加热的固体电解质,到达它的正极,放出电子。这样,在固体电解质的两极之间就会形成电位差,电位差的大小显然与气体的浓度有关。如果我们用仪表测量电位差的大小,就可以检测出气体的含量。利用固体电解质的这种特性,就可以制成“嗅”气体的人工鼻子。

微波“导演”

用过微波炉的人都赞叹微波加热好处多。它能深入到食物内部加热,而不像用铁锅只能加热食物表面,要靠食物本身的热传导才能把热量从外表传入内部。

碰到像糯米粽子这样热传导差的食品,你把冷粽子放在水里煮,往往外表已滚烫,而内芯还是冰凉,但是,若将它放进微波炉里转上2分钟,就从外到里都热透了。微波为什么有如此奇效?

粮食、水、蔬菜等物质的分子都是一端带正电另一端带负电的偶极子。在通常情况下,偶极子的排列杂乱无章。可是,在这些物质的两端加上一个外电场后,它们内部的偶极子就会重新排列,带正电的一端就趋向外电场的低电位;带负电的一端则趋向高电位。

于是原先很杂乱的排列就变得十分规则了。如果再将外电场的方向作180°的改变,这时物质中偶极子的取向也随之旋转180°。如果外电场是微波这样高速交变的电磁波,那么,物质中的偶极子就像一群“舞蹈演员”在微波的“导演”下作旋转。微波的频率就是偶极子们旋转的频率。偶极子在旋转时会发生类似摩擦的作用,使物体的温度随之升高。当然,这些热能是由微波的电磁能转化而来的。

由于微波的频率很高,这导致偶极子高速旋转,在很短的时间内,物质内部将产生很大的热量,微波加热速度非常快。又由于这些物质都是非金属的,对电磁波不能起屏蔽作用,微波能深入到物质内部起作用,所以微波加热的效果也非常突出,能同时对物质的外部和内部都加热。

21世纪的“神行太保”——磁悬浮列车

几年前,在长沙国防科技大学的一个试验室里,科学家们正在为参观者演示一种新型的列车。当科研人员打开操纵开关时,这台长120厘米,自重60公斤,没有引擎,没有轮子的奇特的列车样车霎时间好像变成了一片羽毛,轻飘飘地悬浮在两根钢轨上;科技人员再打开运行开关,车身便由慢到快,向前疾驶而去。试验室里响起了一片热烈的掌声。同时,我国的新闻媒体也骄傲地向世界宣布:中国自行研制的第一台磁悬浮列车原理样车试验成功了!

磁悬浮列车是一种利用电磁吸力或斥力将列车悬浮在轨道上运行的新型列车。这种列车在运行时,车体与轨道能保持10-20厘米的缝隙。由于车体与轨道间没有机械接触,没有磨擦,因而时速可达500公里以上,并且无振动、无噪音、无污染,乘坐平稳。

舒适、安全,就像一架超低空飞行的飞机,是一种十分理想的交通工具,被人们称为21世纪的“神行太保”。

是什么“魔力”使得由钢铁制成的体大身沉的列车变得如此轻飘,能在轨道上腾空而飞呢?

实现磁悬浮一般有两种途径。一种是吸引悬浮。

它是以车上的电磁铁与铁磁轨道之间的吸引力为基础,车身被吸挂在轨道的底部,其间保持1厘米的缝隙不相接触。由于两者之间的缝隙较小,这种方法要求轨道的加工和铺设有较高的精度,一般只用于速度较低的短距离运输系统。

另一种途径是排斥悬浮。它利用的是超导磁体的安全抗磁效应。早在30年代,科学家们就发现了超导磁体的一种特殊性能:当某种金属变成超导体时,超导体内磁感应强度为零。科学家们将其称为完全抗磁性或迈斯纳效应。为了让你更好地理解超导体的完全抗磁性,我们做一个实验:

在一个浅平的锡盘中,放入一个体积很小,但磁性很强的永久磁铁,然后把温度降低,使锡盘出现超导性。这时,可以看到小磁铁会离开锡盘表面飘然而起,与锡盘保持一定距离后,便悬空不动了。这是由于超导体的完全抗磁性,使小磁铁的磁力线无法穿透超导体,磁场发生畸变,便产生了一个向上的浮力。

这类似于水无法穿过船帮进入船舱,就产生向上的浮力使船漂在水面上。磁悬浮列车就是利用了超导体的这种完全抗磁性,才使长龙似的列车插上了腾飞的翅膀。

从1966年波维耳等科学家提出利用超导体和路基导体中感应涡流之间的磁性排斥力把列车悬浮起来运行的设想以来,磁悬浮列车的研究发展迅速。80年代,日、德、英、美和前苏联等国已分别制成了高、中、低速各种档次的磁悬浮列车。其中,日本和德国的技术比较成熟。如日本早在1979年就曾在一条7公里的试验线路上进行了载人实验,并创造了时速517公里的世界纪录。虽然到目前为止,世界上还没有一个国家的磁悬浮列车正式投入运营,但是随着各项技术的发展,特别是近年来在常温超导体研究方面取得的一系列重大突破,必将大大加快超导磁悬浮列车的商业化进程。不仅如此,美国最近又计划研制一种更加先进的地下真空磁悬浮超音速列车。这种名为“行星列车”的磁悬浮列车的最大设计时速为225万公里;是音速的20多倍,乘坐它横穿美国大陆只需21分钟。我们有理由相信,21世纪的“神行太保”将在新世纪里大显身手。

绿色汽车

所谓绿色汽车,并非指汽车的颜色,而是特指那些低能耗、无污染、可以回收的汽车。绿色汽车的诞生源于人类自身生态意识的觉醒和对汽车文明的反思。汽车在施惠于人类并迅速发展的同时,也给人类带来了许多负面影响。汽车使蓝色的天空蒙上阴影,在清新的空气中加进了一氧化碳、氮化物和硫化物,把清新的空气变得令人无法忍受。绿色汽车的一个重要标志是动力源的改进,这是改进汽车动力源的突破口。电动汽车是目前绿色汽车开发的“重头戏”,美国把开发电动汽车作为振兴美国汽车工业的着力点。

1991年,美国组建了先进电池基金会,计划到2000年使电池寿命增至10年,充电次数达1000次。目前,美国已研制出一次充电可不间断地行驶320公里,从静止加速到时速96公里仅需5秒钟的电动汽车。另外,德国也研制成功了时速可达120公里,充电一次可行驶430公里的电动汽车。

除电动汽车外,1992年日本推出了只依靠太阳光源行驶的太阳能汽车。这种汽车长65米,装有1900个晶体太阳能电池,重量只有140公斤,最高时速达120公里。

从长远讲,氢能汽车最有前途。液氢燃料是把水分解成氢、氧而制取的,几乎取之不尽,燃烧后排出的水也不会造成污染。1976年到1983年间,德国奔驰汽车公司利用氢作燃料的小型客车和货车已在柏林和斯图加特进行了行车试验。1990年,日本也制造了一辆使用液氢发动机的汽车,时速可达125公里,灌注一次液氢可连续行驶300公里。

绿色汽车还有一个重要特征是废弃后可以重新回收利用,这是对世纪汽车工业提出的战略性要求。

为此一些发达国家已经开始执行所谓的“汽车拆卸回收计划”,即在各种零件上标以材料的代号,以便日后拆卸分类,再生利用。

伸向空中的“触须”

无线电“天线”的发明家波波夫是南美洲人,它发明了世界上第一根无线电天线。当时人们把“天线”叫做无线电的“触须”。波波夫用许多轻气球系着一根铜线悬吊在天空,这是一根对电磁波感应灵敏度很高的“触须”,它能够感觉很远地方的雷电。

人们早就发现一只带正电荷的铜小球和一只带负电荷的铜小球相互放电时会产生发射电磁波的现象。这就是电偶极子振荡而发射的电磁波。把这对小球拉开并伸展到天空上电磁波的作用会传得更远。天线就是基于这种现象传到天空中去的导线。

天线对于发射和接收都有一定的特性,就好象用传声筒一样,面对的方向,叫到的声音特别响声。天线具有“方向性”和“响度”,在电磁学中“响度”的意思是用电磁场的“强度”

或者“增盖”来代替的。

雷达的天线象一个展开的伞,又象一只号角。电视塔的天线有的象鱼骨。这都是由其在方向性方面的要求所决定的。飞机场周围表标天线的作用是一旦飞机进入,信号灯就会自动闪亮,以警告飞机驾驶员,飞机已经进入机场范围。天线的结构形状千姿百态,目的是为了取得种种不同的电磁波辐射形态。

天线和普通导线不同,普通电线里的电流大小通常都一样,而天线上每一点的电流大小是不同的。天线引导电磁波行进,天线的形状尺寸与电磁波波长十分相关,调整天线是为了得到最大的驻波。驻波愈大,天线辐射能力就愈强。相反如果天线长短不合适,电磁波在天线上的行波就形成不了驻波。

实用的广播天线有垂直天线,倒L型天线、T型天线和环形天线等等。

人体电波

人和生物在活动时其体内都伴有相应的电现象。这些电的电位变化十分微弱,而且呈一种突然表现的脉冲性居多。经过长时间研究发现生物和人体在健康与生病时电现象有十分明显的对应变化,观察这种对应变化就能进行病情诊断。

如人和动物的心脏在跳动时表现为一个完整的心电图,如果心脏有了毛病那么心电图的波形就会有变化。人的头脑也随思维活动表现出电压的变化,医学上称为脑电波。这种电信号在人睡眠时很平静,而动脑筋的时候电流波动特别大。在人的头部外合适位置贴上如一元硬币大小的银质电极,引入仪器可以测出脑电波。脑电波图可以分析脑部血管出现的各种问题,包括人的精神状况。实验证明人在喜、怒、哀、乐时的脑电波有十分明显的特征。

肌肉运动也会产生肌电信号,肌电信号的电压幅度和心脏表现的电压幅度差不多,约为一毫伏左右,然而他们表现出的各自形态是不相同的。

人体电脑波的形态

一种能按照残肢人意志做各种动作的机电假手,就是利用引出残肢部位发出的肌电信号,经大脑感应,指挥肌电假手动作的。这种具有两个自由度的肌电假手是一种复杂的仿生机构。

它的手指能开能合,并可按所拿东西的轻重调节握力,手腕可作360°转动。

机器人的感觉

机器人的“感觉”来自“传感器”。机器人的自适应功能正是依赖着各式各样的传感器输入所需的信息来实现的。

肯定的说,没有传感器就没有电子自动化,就没有机器人。

传感器是一种能将某种物理参数如温度、湿度、光等非电量的变化,转换成为另一种物理量参数,如电流、电压等检测装置。传感器广泛应用于科学技术,上至宇宙航天,下至深海探测,无所不用。目前应用的传感器种类极多,根据工作性质、输出效应的性质,通常传感器可分为两类,第一类叫做参量式传感器,又叫调制式传感器。这类传感器把各种被测物理量转换成电路的电阻、电感、电容的变化。第二类叫做发生器式传感器。这类传感器本身是一种电能发生器,可以直接将被测非电量转换为电动势。如压电传感器、感应传感器等等。其它还有光电传感器、伺服传感器、器件传感器等等。所有的传感器都必须要求考虑其精度、灵敏度、变换特性、可靠性以及在恶劣条件下能够正常工作。

热敏电阻在温度测量方面通常作为温度传感器,大多数热敏电阻体是由金属氧化物混合物做成的。如氧化镍、氧化锰、氧化钴、氧化铁这些金属氧化物都是热敏电阻的原材料。

热敏电阻的特性在于它一旦发热,电阻就会发生变化,有的热敏电阻发热电阻变小,有的热敏电阻发热电阻变大,各有各的用途。

比如为了防止电器在开启时瞬间的电流冲击,此时的电流往往是正常工作的若干倍,很容易造成过载或工作不稳定。

在电路中加上热敏电阻,因电阻对电流的限制,起始电流不能很大,随着电流流过,电阻发热,电阻变小,电流就逐渐增大直至正常值。所以现在许多家电产品,如电冰箱、电视机,空调等都少不了热敏电阻。热敏电阻除了作电流控制或温度补偿元件还可以稳定电子线路和电动机电路。

气体传感器特别适合对气体进行检测。如烟雾传感器可以检测出含量极低的任何易燃气体或蒸气,气体传感器的内部是以半导体敏感元件为核心制作的。在敏感元件上装置了可以加热的灯丝,当灯丝加热后半导体受热氧化,此时敏感半导体会呈现出很高的电阻值。当检测器与一定种类的气体接触时,由于这些气体的“去氧化”作用,电阻会产生相应的下降,这就是半导体气体传感器的基本原理。铂线器件是常用的气体传感器之一,它是利用涂复特殊材料和未涂复特殊材料的二片铂元件,加热后电阻值会表现出明显差异的工作原理来作为气体传感器的。

光传感器的核心是硫化镉材料做成的光敏电阻,原理是电阻不同受光呈现的阻值不同。一般的光敏电阻在高速工作状态时灵敏度很低,为了解决这一问题,人们把光敏电阻与半导体的放大电路做在一起,使灵敏度大大提高。一般在强光下光敏电阻的阻值只有数十欧姆,处于全暗状态,光敏电阻的阻值可升到10兆欧姆。光敏电阻可直接对光测量,做曝光表,可以用做控制路灯随光亮程度的自动开关,可与激光等光学设备结合在自动控制中加以应用。