电和磁这一对双胞胎的舞步

宇宙奥秘 2020-01-13 09:15宇宙探索www.qiwenkd.com
电磁能的应用,不仅仅是能量形式的变化,它带来的是一场信息的革命,已经深刻改变了我们整个社会的生存模式,甚至正在悄悄地改变着我们的社会管理模式。这是人类由于能源结构变化所带来的一次前所未有的巨大社会变革。本文就要带着大家谈谈这个给我们的生活带来剧变的电和磁,这也是因为,电和磁是一对双生子,有电就有磁,有磁就有电,无法分开。
由于在物理学中,电和磁总是同时出现,所以我们就需要把它们同时进行讨论。要说电,我们就得先说说磁,提到磁,我第一个想到的就是咱们中国四大发明之一的司南(指南针),这是人类在进入到电的社会之前对磁场利用的最早的案例。人类在发展过程中对于能量的运用从最初的燃烧木炭,到煤炭,再到石油天然气,都没有电磁能对社会的改造大。
 
一、磁力的魔法
虽然没有电的名气那么大,但是要有电就需要有磁,除了光伏发电和化学电池,所有发电设备的核心都有磁铁。其实,除此之外,磁铁在我们身边随处可见,我们的耳机、麦克、电话、小磁贴、冰箱门、包包上的磁扣、电脑的硬盘……
磁铁可以在自身的周围生成一个磁场,在这个场的范围内,磁铁可以对其它的磁性物质产生斥力或者是拉力,并且这种力并不需要二者发生接触。
磁铁的另外一个重要性质就是它有两极,即N极和S极。任意磁铁的N极总是吸引另外一块磁铁的S极,但两块磁铁的相同极会互相排斥。
铁磁性物质的内部,有许许多多的小结构,这些结构被称为“磁畴”。每个“磁畴”都是一个小磁铁,它们的指向各不相同,通常铁磁性物质对外没有表现出带有磁性,是因为这些小磁铁的方向是无序混乱的,所以对外的磁场相互抵消。
当有一个外部磁铁靠近铁磁性物质的时候,这些“磁畴”(小磁铁)就会迅速响应,让小磁场的方向发生变化,其N极靠近外部磁铁的S极,铁磁性物质就表现出能够被吸引的特性。当我们把铁磁性物质拿开,这些小“磁畴”又会恢复到原来的状态。
 
二、恼人的静电
说起电,尽管现代人每时每刻都离不开它,但它给我们的最初的感觉并不美好,因为电常常给我们带来刺痛。最明显的就是我们当下这个季节,尤其是北方的冬季,气候干燥,身上的服装非常容易起静电。就拿我本人来说,除了每次开车门都要提心吊胆,防止被电一下,静电还损坏过我的手机。
这些静电,其实就是聚集在我身上的过多的电子,我们被静电刺痛的感觉来自于它们的移动。这些小东西是组成微观粒子的一种微粒,我们要发现它们的存在是如此的简单,用塑料梳子梳头或者是冬天脱下羊毛大衣……它们就会用刺痛宣告自己的存在。
为了说明这些电子,需要从原子结构说起。所有的原子都是由处于原子中心的集中了几乎全部原子质量的原子核和核外电子组成。带正电的质子、不带电的中子和带负电的电子就是构成我们整个自然界中所有原子的基础。
一个质子所带正电的电量与一个电子所带负电的电量相等,它们与中子一起组成原子的时候,对外就表现出电中性。我们所接触到的所有物质,包括我们自身,都是这样的原子或者是原子之间再组成的复杂物质堆积而成。
 
平时,这些物质都是呈现出电中性的,所以我们根本不会意识到这些电子的存在。只有它们发生运动的时候,我们产生了刺痛,才会让我们注意到它们。
虽然组成所有自然界的物质总是呈现出电中性,但是并不等于电荷不能移动。由于电子在原子核的外围,而且其质量很轻,所以通常的电流都是由电子的移动产生的。
在导体(所有的金属)中,原子核对外层的电子束缚力比较小,所以这些小东西会发生自由移动,如果我们用一个很高倍数的显微镜看过去,就好像这些金属的原子浸泡在电子的海洋当中。组成这个海洋的就是那些可以自由移动的电子。这些电子之间互相碰撞,也与其它的金属原子发生碰撞,最后均匀分布在整块金属的内部。
然而,对于塑料这样的绝缘体则不是这样。电子被束缚在组成塑料的分子里,不能吸收外来的电子,也不能很轻易地释放自己的电子。除非我们使用皮毛,用力摩擦,使得一部分电子被带走,这就是我们身上或者是衣服上会带上静电的原因。
 
三、柠檬电池
现在关于电的应用已经很广泛了,就比如前面我们说的静电,虽然它带给我们的感受并不好,但是现在人们用这种方法来做环保除尘,取得了很好的效果。不过,对于更多的电的应用,是让那些被称为电子的小微粒运动起来。
比如,白炽灯,就是让电子快速运动,让它们把电源的能量通过撞击灯丝中的金属原子,达到高温来发出光、我们的电水壶、电火锅其实也都是同样的道理。另一种电的应用,就是让电子在原地发生震荡,从而产生电磁波,如今,我们的手机、雷达、收音机都在利用电子的这种运动方式。
为了让电子能够运动起来产生电子的“风暴”,这就需要有外部的能量供给,形成一个能够让电子“跌落”的悬崖。这个道理就像小孩子从沙发上跳到地上一样,我们需要给电子制造一个产生这样跳跃的环境,这就是电势差,我们现在常常管这个叫做电压,人类最初产生电势差的装置就是电池。
 
现在让我们一起来做一个柠檬电池。
首先,我们要用手来揉捏柠檬,直到感觉它们变得有点“柔软”。其次,将一颗镀锌螺丝钉(铁)拧进一个柠檬的大约 1/3 处。使用小刀,小心的在柠檬另一边 1/3 处切开一个 1 厘米的切口。其次,将崭新的五角硬币(铜)插入切口直到硬币的一半都在柠檬中。
现在我们就可以从柠檬中得到电流了!如同其它电池一样,硬币是它的正极,螺丝钉是负极。尽管这个电池很弱。但是我们可以将多个这样的电池串联在一起组成柠檬电池组。这个电池组就可以点亮一个小灯泡。
在这个柠檬电池中,发生了一系列很有趣的事件,两种金属片的电化学活性是不一样的,其中更活泼的那边的金属片能置换出水果中的酸性物质的氢离子,由于产生了正电荷,整个系统需要保持稳定,所以在组成原电池的情况下,自由电子从回路中保持系统的稳定。
 
四、电子的舞蹈
现在让我们一起带着想象力拿起手机,跟着我一起想象电子的美妙舞步。随着我们按下手机开关的一瞬间,锂离子电池所产生的电场就会覆盖整个手机内部那些成千上万的电路当中,电子就在电池产生的电势的驱动之下,开始翩翩起舞,沿着工程师规划好的路线开始移动。
所有的电子,尽管它们经过不同的路线,最终都会回到电源(锂电池)。电子所经过的地方,屏幕会发光并组成图像,存储器会留下记忆,天线会接收和发射出电磁波……
 
五、我的收音机和一段科学史
不知道有多少小伙伴跟老郭一样是70年代生人,我依稀还记得,小时候,家里除了电灯以外,唯二的两样家用电器:手电筒和一台晶体管收音机,当时人们对未来的描述是“楼上楼下,电灯电话”。如今这些都已经是我们习以为常的事物了。
伴随着时代的前进,黑白电视机逐步走入家庭,而电随着这些用电器带给我们的印象就是会发出热量和滋滋的噪音。在这个智能手机已经普及的年代,我依然清晰地记得那些电子技术术语:“二极管”、“放大三极管”、“高压包”、“行输出变压器”……
虽然我们仍然看不见电子的存在,但是那些滋滋的声音、或者是烧糊的变压器都会提醒着我们,这些微小的粒子无处不在。之所以这里要提到黑白电视机,是因为让它能够显示动态图像的一个关键元件叫做CRT,这是Cathode Ray Tube(阴极射线管)的缩写。
 
1867年,德国物理学家约翰希托夫发现,在一根两端镶嵌着金属棒的真空玻璃管的两端接入一个电池,就会有看不见的神秘物质从玻璃管的一端流向另一端。这种物质轰击在玻璃管另外一端涂着荧光材料的屏幕上,就能使材料发光。但是没人知道这种物质是什么,人们把它命名为阴极射线。
1897年,汤姆森发现,真空管内流动的物质不是射线,而是一种带有负电的粒子,这就是我们今天所说的电子。电子向正极移动,不仅仅是因为正负相吸,同时还是因为在灯丝和屏幕之间存在一个强大的电场。在后来的彩色电视机上,这个电压通常为2W伏,电子在这样的电场中被加速到高速运动。
由于CRT中是抽成真空的,所以电子在前进过程中不会遇到任何阻碍,直到高速撞击荧光物质发出闪光,并在偏转线圈和行输出变压器的共同作用下组合成图像。
 
北京正负电子对撞机(BEPC)是世界八大高能加速器中心之一, 是我国第一台高能加速器,也是高能物理研究的重大科技基础设施;由长202米的直线加速器、输运线、周长240米的圆型加速器、高6米重500吨的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置等几部分组成,外型像一只硕大的羽毛球拍。这台为我国科学发展做出巨大贡献的大型装备的运作原理其实和CRT一模一样。
如今,当年那些笨重的CRT已经被今天的平板显示器所替代,这些显示器的原理是利用LED发光元件组成的阵列。正是由于平板显示器技术的飞速发展和产品的普及,才成就了我们今天的智能手机产业。虽然LED平板显示器与CRT的发光原理不同,但相同的都是背后的电子。
 
六、电磁炉
电能产生磁场。我最初知道这个道理还是在初中的物理课本上,给一个缠绕在铁棒上的线圈通电,就会产生磁场,这个磁场能改变小磁针的方向、能吸引铁屑以及一些比较重的铁磁性物质。交变电流能产生交变磁场,在工厂中最典型的设备就是电炉炼钢。
我们家中的电磁炉也是这样一种装置。电磁炉的原理是电磁感应现象,即利用交变电流通过线圈产生方向不断改变的交变磁场,处于交变磁场中的导体的内部将会出现涡旋电流,这是涡旋电场推动导体中电子运动所致;涡旋电流的焦耳热效应使导体升温,从而实现加热。
我们身处的世界到处都是磁场,有些是永久的,有些是临时的,有些范围很小,你需要凑近了才能感应到,而有些则非常巨大,这就是我们地球的磁场,虽然我们在没有仪器的情况下感觉不到地球磁场的存在,但是我们却一直在利用它。
 
七、指南针和磁场漂移
就像我在文章开头提到的司南,其实就是利用地球磁场来指引方向的一种简单设备。这种装置的一端可以永远指向南方,地球上无论有多少个指南针,只要我们把它们静置在那,它们就会指向同一个方向,同时也是在向我们展示着,地球磁场的存在。
一直以来,指南针都在行军和航海等领域为我们提供方向的指引。然而,这里面有一个严重的问题,那就是地球的磁极并不是固定不变的,它也会发生漂移,有时候甚至会漂移很长一段距离。研究人员表示,磁北极正在从加拿大向西伯利亚“滑行”。磁北极的移动非常明显,世界各地的研究人员正在急于更新世界地磁模型。
 
之前跟着记录地球磁北极移动的《地球磁场模型地图》是2015年更新的,按照更新计划,下次更新是2020年。但是考虑到当前磁北极快速移动的情况,不得不提前到2019年更新地图。如果不更新,机会导致数据的误差超过规范的数值。
比较狗血的是,由于特不靠谱导致的米国政府停摆,本来原定于2019年1月15日更改世界地磁模型,不得不推迟到1月30日。
地球磁北极的移动自然有其内在的原因,它其实是在提醒着我们,我们脚下的这颗星球绝对不仅仅是一个静态的岩石球体。在地底的深处,富含铁的地核外层正在缓慢地运动,不断将热量送到外层。地球的自转迫使熔化的岩浆随着流动,由于铁的存在,粘稠的地核外层形成了电的导体。
正是由于地核外层中的电流随着地球转动,才造成了我们这颗行星的磁场。所以岩浆流动的变化就会导致地球磁场的变化,地球磁场与自转方向大体相同,也是因为是地球的自转带动了岩浆的旋转。同样原因,也导致了地球的磁轴与地球自转轴之间的方向大体一致。
 
八、神经传导
神经信号是一种电信号,其传导速度极快,信号在神经上传递时表现为电位变化,但在胞体间传递时却有不同的介质。神经冲动的传导过程是电化学的过程,是在神经纤维上顺序发生的电化学变化。神经受到刺激时,细胞膜的透性发生急剧变化。
用同位素标记的离子做试验证明,神经纤维在受到刺激(如电刺激)时,Na+的流入量比未受刺激时增加20倍,同时K+的流出量也增加9倍,所以神经冲动是伴随着Na+大量流入和K+的大量流出而发生的。
 
九、三峡水利发电
奔腾咆哮的长江,一进峡谷便遇上气势赫赫的夔门。夔门两岸的山峰,陡削如壁,拔地而起,把滔滔大江逼成一条细带,蜿蜒于深谷之中。这里河宽只有一、二百米,最窄处不过几十米;而两岸主要山峰可高达1000-1500米。这里峡深水急的江流,绵延不断的山峦,构成了一幅极为壮丽的画卷。
如果您有机会能看到三峡水力发电机组,那么就会感觉到无比的震撼。那些用于发电的关键部件都包裹在一个巨大的铁壳子里,由一个巨大转轴提供支撑,在转轴支撑下提供稳定地回转。内圈的是一层强磁性的永磁体,而外圈是铜线圈,与外部输电系统相连接。
水流通过蜗壳的导流作用径向流入导水机构,将液体的动能转化为静压能,再通过叶片将静压能转换为转子的动能,转轮通过主轴与发电机转子联轴,带动转子旋转并切割发电机定子磁力线圈,利用电磁感应原理在发电机线圈中产生高压电,再经过变压器通过输电线路将电力输出到电网中,水流最后轴向流出转轮。
 
结束语
如今我们的文明正在为摆脱对煤和石油能源的依赖而做出不懈的努力,电能作为一种清洁能源正在不断扩大着应用范围。但我们不能忘记,这一切都是来自电和磁这样一对双胞胎兄弟的默契舞步。没有电和磁组成的奇妙世界,就没有人类文明的今天和未来。

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