书城科普《物理知识篇》(上)(科普知识百科全书)
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第6章 奇妙的电与磁(3)

利用光电器件对于不同波长的光线其反映不同进而发展出超声波传感器、红外线传感器等用途很广泛。现在医院做超声波检查用的探头,实际上就是超声波传感器。而红外传感器常应用于各种电器遥控器的接收端。

酸碱传感器是利用“伏打”效应制成的传感器,原理十分简单。在一根细玻璃管中用二根不同金属做成电极,当这根玻璃管插入不同电解液中,由于酸碱电解液不同得到了不同的输出电压和极性。

压力传感器是利用半导体应变片元件制成的,应变电片发生形变时,会发出相应的电性能变化,它与电桥、放大器相结合可用于测量大气压力等等。

霍尔传感器是利用半导体“霍尔效应”工作的传感器,简单说来它是半导体磁场的一种反应。当磁场进入半导体时,半导体二端会形成一定的电位差,磁场越强,电位差就越大。如磁场进入的方向相反,那末电位差的极性也就跟着反转过来。

霍尔器件传感器用于检测磁场强度十分理想,它的灵敏度为075~106毫伏/高斯。我们知道变化磁场用线圈也可测出,而对于恒定的磁场,线圈则无能为力,此刻霍尔传感器则是身怀绝技了。现在电脑使用的键盘,就是在按键下面装了一块小型磁铁,当磁铁按下去的时候,磁铁的磁场靠近了霍尔传感器,霍尔传感器输出信号,打开电路。这种开关方式不会产生电接触的噪声。电子琴的脚踏控制板也采用了霍尔传感器,这种在控传感器改变音量大小,不象以往用“电位器”那样,因电位器的电阻片磨损或污染会造成噪声。霍尔传感器还可以用来制造十分精密的电子指南针等等,目前实用的“磁罗盘”指南针也有采用电子射线、电子流原理式的。

湿度传感器采用镁、铬陶瓷材料加入氧化钛制成。这种传感器材料呈现多孔、微孔分布的半导体特性。因为这种材料易于吸收水分而改变电导率,所以做为湿度传感器,反应较灵敏。当水气较少时,材料内部化学吸附形成电解层,当水气增加时,导电能方明显增高,材料内部变化为物理吸附。

水气越大,电导率越大,电阻越小。相对湿度超过30%时进入高湿区。传感器会出现水滴,这将影响传感器的正常工作。

为此在传感器中设置了一组加热线,使传感器温度得到提高,防止了水滴的出现。

湿度传感器广泛应用于核反应堆、火力发电站、土砂测定、线路保护、抽湿机、影印、高压灭菌、造纸、药品等方面。

全新概念的“手表”

随着时代的发展,手表已不再仅仅是一种计时工具,它已经逐步走向电子、通信、信息等领域,在更广阔的天地中大显神通。下面为大家介绍几种功能奇特的手表家族的“新成员”。

能开锁的电子表。澳大利亚制造了一种能看时间、开锁、算帐的电子表,它可用于宾馆饭店的客房管理。凡住进饭店的客人都会领到这样一只电子表。

表的记忆库中都编有开锁口令,表内有微型发报机,锁内则有收报机,所以只要把表靠近锁就能把房门打开。这种表一旦丢失,中心台就会立刻向门锁和计算器下达指令:不要开锁。

电脑手表。德国在市场上推出一种电脑手表。这种新式手表大小同普通手表无异,但内装一块能储存70个数据组的微芯片,每组20个符号,可以帮助用户记忆信用卡和支票的密码,提醒用户的生日。另外,这种新式手表上还安装有一组光电二极管,能同计算机进行信息交流。

新型多功能手表。美国泰梅克制表公司与世界上最大的软件公司合作开发出一种名为“数据链”的新型手表。它只需简单地把它对准计算机屏幕就能与微机联系,并将数据显示在与表盘合成一体的液晶显示器上。使用这种手表的用户可在他们的微机上输入和编辑数据,选择信息,然后将手表表盘在15至30厘米的距离内对准屏幕,信息就可载入表内。

具有电视电话功能的手表。荷兰飞利浦公司正在研制一种具有电视、移动电话功能的新型手表,它代表了世界上许多高级实验室正在研制的一种新技术。

这种新技术可使手表的主人随时与未来的信息高速公路相连,随时与人通话,接收电视节目等。

信息手表。日本精工公司于1994年底推出了一种“信息手表”,它将BP机和调频收音机合二为一,可以为用户提供无线寻呼和信息传递服务。精工“信息手表”已在美国的洛杉矾等地区得到了应用,售价为80美元,每月须交纳25美元的新闻服务费和9美元的寻呼服务费。专家预言:因为信息手表能够充当多种信息的传递和处理工具,因此它的出现和普及是信息社会发展的必然。信息手表将是对世纪的大众化商品。随着社会的发展,还会有更多形式多样的信息手表出现,从而更好地造福人类,服务社会。

具有记事本功能的手表。英国环球通信公司发明了一种具有记事本功能的手表,它的外观和计时功能都如同普通电子表,不同的是它可存贮70条信息,可以记录电话号码、约会时间和其它事项,可在设定的约会时间之前发出警告声,提醒用户按时赴约。这种手表输入信息时也需要借助一台个人电脑和一张特制的软盘。

人体保健手表。这种手表的功能相当于一个随身的“保健医生”,它可以随时测出人体的血压、脉搏、体温以及营养状况等参数,使人们随时掌握自己的身体健康状况,达到防病治病的目的。

总之,由于手表携带方便、使用灵巧,因此许多领域的科学家都把目光投在这方寸之地上。随着微电子技术的不断发展,手表的种类将会越来越多,我们的生活也将越来越方便、多彩。

功能不凡的小卡片——IC卡

1996年新年伊始,中央电视台“东方时空”栏目向全国报道了一条让人兴奋的消息:从1996年起,海南省将在全省银行系统推广使用通用IC智能卡。

并称,这是我国金融领域的又一次“革命”,它的使用将为我国金融支付手段与世界接轨产生深远的影响。

如此功效不凡的IC智能卡到底是什么呢?这还得先从它的老前辈——磁卡说起。对于磁卡,我们并不陌生,它已进入了我们的日常生活中,我们打电话用的邮政专用贮值卡,取钱的取款卡,购物消费时用的信用卡基本上都是磁卡。目前,在全国许多大、中城市都可用信用卡购物;许多银行、储蓄所都设有一个外形酷似游艺机的自动取款机,用户用取款卡就可以取到自己所需的现金,非常方便。磁卡按其构造可分为两种,一种是在外形像一张扑克牌的塑料卡表面粘贴有一条与录音磁带相似的磁条卡,目前我们常用的各种信用卡,如“长城卡”、“牡丹卡”等均属此类;另一种则是在乙烯塑料卡内层涂有一种磁性涂料的磁性卡,人们称其为PET卡。磁卡的记录方法与磁带及计算机用的软盘等相同,都是采用数字磁记录。磁卡要完成信息传递的任务,就必须通过磁卡读写器来完成。磁卡虽然被广泛用于金融流通、交通(高速公路卡、地铁日票卡等)、通信(电话磁卡)、事务管理(身份证卡、借书证卡、医疗磁卡等)、民用等众多领域,但是,由于磁卡存在着存储容量小、功能弱、安全性差等缺点,不能满足高速发展的信息社会的需求。随着超大规模集成电路和大容量存储芯片技术的发展,国外从80年代开始使用IC卡。有关专家预言,IC卡取代磁卡是社会发展的必然趋势。

“IC”是英文IntegratedCircuit(集成电路)的缩写。IC卡即为装有一个或多个集成电路芯片的塑料卡,所以又称为电子卡。IC卡又分为存储卡和智能卡(又称灵巧卡)两种。它们的区别在于:前者未装微电脑的CPU(中央处理器),因而只有存储功能;而后者装有一个形状大小类似于硬币的芯片——CPU,它既可以存储信息,又可以处理信息。由于智能卡具有CPU、存储器及输入/输出等组成部分,因此,一张智能卡可以说就是一台微小的计算机。

与磁卡相比,IC卡有以下一些优点。

可靠。IC卡是由读写设备的接触头与卡片上集成电路的接触点相接触进行信息读写,无任何移动部件,不会出现吃卡、塞卡等现象。另外,IC卡抗干扰能力强,具有防磁、防静电的功能。

安全。IC卡的所有需保密的信息以及用于安全控制的程序都设置在不可复制的防止外界入侵的存储区中,从而保证了信息的安全性和保密性。在制作过程中,在卡的内部设立相应的密码,从而可以有效地防止假冒。除利用对持卡人密码(简称PIN)进行验证以保证使用安全外,还可以采用生物认证技术进一步增加安全性。例如通过对持卡人的指纹、笔迹、声音等进行识别来证实卡的有效性。

存储量大。IC卡的存储容量一般是磁卡的1000倍以上。通常可存储3000个字节,现在科学家还准备将它再增加3倍。因此它可以存储大量的各类信息,可以做到一卡多用。

灵活。IC智能卡可以进行逻辑操作,因而可在不与中心计算机相连的情况下进行安全认证、操作权限认证。此外,用户可要求修改存储在IC卡的个人数据资料,查询剩余额等。

由于IC卡的以上优点,使得它在许多领域都得到了广泛的应用。其中主要有:

——电子付款:如银行金融交易卡、电话付费卡、移动电话卡、电视卡、保健卡、公路收费卡等。

——计算机安全控制:实现对非法进入个人计算机和工作站、非法存取磁盘文件及病毒侵害等问题进行有效的控制及防护。

——电子资料簿:存储个人、设备或部门的多种信息,并可根据用户要求对信息进行分级保护。

——身份验证及人事管理:可用于员工证,对员工的身份进行验证,还可记录员工的出勤情况、休假情况和工作业绩等信息。

IC存储卡的使用在国外始于80年代初。IC智能卡的使用始于80年代后期,最先使用它的是法国电信公司,短短十多年,IC卡以惊人的速度得到了长足的发展,给我们的生活带来了极大的方便。目前,不少IC卡都具有“一卡多能”的特点,比如我国海南省通用的IC卡就同时具有电子钱包、电子存折和电子信用三种功能。在不久的将来,我们只要在口袋里装几张薄薄的卡就可以外出了。IC卡将真正使人类实现“一卡在手,走遍天下”的理想。

与你同心——心脏起搏器

如果要在人体的各个器官中评“劳模”,那么第一名非心脏莫属。它一直按照自己特有的节律跳动,伴随人走完风风雨雨的一生。从科学的角度讲,心脏之所以能跳动,是由于心脏位于两个心房之间的顶端有一个称为窦房结的结构,它可以发出电信号,信号沿着心房向心室传导,最后经过一种叫浦肯野氏纤维的组织到达心肌,从而使心肌有节奏地收缩和舒张,形成心脏的搏动。因此,一旦窦房结工作不正常,心房和心室间的心电传导失灵,就会发生心律失常,出现头昏。乏力、心慌、突然昏迷、抽搐、心跳骤停等一系列症状。对于这类心脏病,既不能手术,药物治疗效果也不满意,那么,如何攻克这种最危险也是人体最重要部位的疾病呢?

科学家们经过多年研究,根据电流可以引起肌肉收缩的原理,终于制造出了一种随身的心脏“救护神”——心脏起搏器。

心脏起搏器外形只有火柴盒大小,可以用手术的方法埋在病人的胸部或腰部的皮下组织内,成为病人的“随身医生”。起搏器由低频脉冲发生器、刺激电极和导线、电源等三部分组成。其中振荡器是心脏起搏器的核心,供心脏跳动的电就由此发出。它以恒定不变的电流向电容器充电,当电压升高到一定程度时,晶体管构成的开关便自动接通,把电荷放掉,然后再充电,如此周而复始,形成低频脉冲电流。心脏起搏器有两个电极,一个由起搏器的外壳代替,一个是埋在心脏内膜的电极导管。心内膜的电极导管把起搏器发出的电流脉冲引到心脏,从而帮助心脏有规律地跳动。

心脏起搏器虽然个头小,结构却十分复杂,具有很高的技术性能和工艺要求。它采用了先进的集成电路工艺和锂系列电池。锂电池的能量密度高,自放电很少,可以全密封,无漏液、胀气现象,它体积小,重量轻,可以在体内使用10年,甚至可以成为终生能源。它的外壳由化学性能稳定又不受人体排斥的稀有金属钛制成,重量轻,密封性好,可以保证电路不受腐蚀。起搏器的电导管则是由光滑无毒,对人体亲和力好的生物材料制成的,可以与人体器官和睦相处。

心脏起搏器经过多年发展,已经形成了固定频率起搏器、心房同步型起搏器、心室同步型起搏器、房室顺序型起搏器、全自动型起搏器(即按需型)及程序控制起搏器(即多功能型)等多种品种系列。目前临床使用最多的是按需型和多功能型起搏器。按需型是一种当心律失常时它就工作,心律恢复正常后就停止输电的起搏器,它可以大大节约用电,延长使用时间。多功能型起搏器可以借助体外的自动控制装置,根据不同人的心律对电流的敏感程度,及时调整起搏脉冲的频率和幅度,使心律自动调节。除此之外,人们正在研制微电脑起搏器,这种起搏器可以随病人的情绪、体温、血液循环等情况的变化而自动调节,它的起搏脉冲与心脏自然起搏过程非常相似,从而使病人感觉更舒服。

早期的静电研究

1660年左右,德国马德堡市的市长格里克创制了一种机械装置,可以连续摩擦生电。他取一只儿童脑袋一般大的圆形玻璃烧瓶,把碎硫磺放进瓶里,一起加热,使硫磺融溶,在加热过程中不断加硫磺,最后,瓶里充满融化了的硫磺。再插入一根木柄,等硫磺冷却后,打破玻璃,得到一个漂亮对称的硫磺球。他把硫磺球支在木架上,让硫磺球转动,同时把一只手按在球上摩擦,于是硫磺球就会显示地球吸引万物的特性。另外一张图实验者正举着带电的硫磺球,球体移到哪里,那里一切轻质物体都受到吸引。纸片、羽毛纷纷朝它飞来,水珠滚动,枯叶摇晃。手指靠近,闪光、爆破声,与雷电无异。

为什么格里克会想到做一个旋转的硫磺球来做实验呢?原来他并不是单纯为了演示电现象,而是为了证明地球吸引力乃是某种“星际的精气”,他曾做过许多真空实验,也和这个总目标有关。着名的马德堡半球实验就是他在1654年做的,在这个实验中,他演示了抽空的两个半球在大气压的作用下用十六匹马也没有拉开。

格里克的硫磺球实验确实模拟了地球的吸引作用,甚至他还显示了硫磺球的引力比地球吸引力大。然而,他也发现两者有不同之处。在硫磺球周围,也会有物体被排斥,羽毛在硫磺球和地板之间会上下跳动。格里克开始领悟到,重力并不能归结于电力,它们各有特点。

接着,格里克又做了许多电学实验,其中包括电的传导和静电感应,可惜没有得到别人的重视。