书城科普读物智慧百科(科学卷)
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第20章 电和磁

静电

物质一般都是由分子组成的,而分子是由原子组成的,原子则是由带负电荷的电子和带正电荷的质子组成。在一般情况下,一个原子的质子数与电子数相同,正负达到平衡,所以原子一般不带电。但是电子环绕于原子核周围,受到外力便脱离轨道,离开原来的原子A而侵入其他的原子B,A原子因缺少电子而带有正电现象,称为阳离子;B原子因增加电子数而呈带负电现象,称为阴离子。

造成不平衡电子分布的原因则是电子受到外力而脱离轨道,这个外力包含各种能量(如动能、位能、热能、化学能等)。在日常生活中,任何两个不同材料的物体接触后再分离,即可产生静电。

当两个不同的物体相互接触时就会使得一个物体失去一些电荷如电子转移到另一个物体使其带正电,而另一个体得到一些剩余电子的物体则带负电。若在分离的过程中电荷难以中和,电荷就会积累使物体带上静电,所以物体与其它物体接触后分离就会带上静电。通常在从一个物体上剥离一张塑料薄膜时就是一种典型的“接触分离”起电,在日常生活中脱衣服产生的静电也是一种“接触分离”起电现象。

流动的电

18世纪,西方开始探索电的各种现象。美国的科学家富兰克林认为电是一种没有重量的流体,存在于所有物体中。当物体得到比正常份量多的电就称为带正电;相反,若少于正常份量,就被称为带负电,所谓“放电”就是正电流向负电的过程,这个理论并不完全正确,但是正电、负电两种名称则被保留下来。该时期有关“电”的观念都是物质上的主张。富兰克林做了多次实验,并首次提出了电流的概念。1752年,他在一个风筝实验中,将系上钥匙的风筝用金属线放到云层中,被雨淋湿的金属线将空中的闪电引到了手指和钥匙之间,这一实验证明了空中的闪电同地面上的电是同一回事。

电池

电池的种类很多,常用的电池主要有干电池、蓄电池,以及体积小的微型电池。此外,还有金属-空气电池、燃料电池以及其他能量转换电池如太阳能电池、温差电池和核电池等。

干电池是一种使用最广泛的化学电池。1865年法国人勒克朗谢在伏打电池的基础上研制了一种碳/二氧化锰/氯化铵溶液/锌体系的湿电池。经发展,干电池现已有100余种。除了锌-锰干电池外,还有镁-锰干电池和锌-氧化汞干电池和锌-氧化银干电池等。由于干电池的氧化反应和还原反应的可逆性很差,用完后一般不能用充电的方法使正、负极活性物质恢复到原来状态,因此干电池又称为一次性电池。最常用的干电池是锌-锰干电池,它包含有糊式、纸板式、碱式和叠层式几种。

糊式锌-锰干电池由锌筒、电糊层、二氧化锰正极、炭棒、铜帽等组成。最外面的一层是锌筒,它既是电池的负极又兼作容器,在放电过程中它将被逐渐溶解;中央是一根起集流作用的碳棒;紧紧环绕着这根碳棒的是一种由深褐色的或黑色的二氧化锰粉与一种导电材料(石墨或乙炔黑)所构成的混合物,它与碳棒一起构成了电池的正极体,也叫炭包。为了防止水分的蒸发,干电池的上部用沥青或石蜡密封。

电池组

制作第一个电池组的是意大利物理学家亚历山德罗·伏特。他的同胞、生物学家卢奇·伽伐尼在解剖一只青蛙时注意到了一种奇怪的现象。当他用某些金属接触死去动物的腿时,它们竟然抽动了起来。

伏特认为抽动是由金属产生的电流所造成的。他从18世纪末开始做实验,实验中他发现自己能通过使两片称为“电极”的金属,与某些溶液起化学反应来产生电流。他把这些部件放在一起,制造出了第一个电池组。

伏特把他的电池组叫做“堆”,因为它是一堆用沾了盐或酸的弱溶液的垫片隔开来的锌和铜的圆板。当一根金属线连接上圆板和底圆板时,电流就通过金属线流动。在伽伐尼早些时候的实验中,青蛙躯体表现得就像沾湿的布垫那样,任由电流流动。

伏特的工作对近代物理学的发展具有极大的价值。所有后来从电动机到发电机等电方面的发展,都源自于它。后来科学家们通过用伏特的名字来命名标准的电单位之一,即电势单位,而给予他很高的荣誉,以表彰他作出的贡献。

电池组分串联和并联,并联的电池组要求每个电池电压相同,输出的电压等于一个电池的电压,并联电池组能提供的电流更强。串联电池组没有过多的要求,只要保证电池的容量差不多就可以了。但是串联电池组可以提供较高的电压。

电池组在我们的生活中使用的十分广泛,例如电视遥控器,电子玩具,手电筒中都有串联电池组。

电路

电路是由相互连接的电子电气器件,如电阻、电容、电感、二极管、三极管和开关等,构成的网络(或者由电源、用电器、导线、电键等元件组成的电流路径)。电路的大小可以相差很大,小到硅片上的集成电路,大到输电网。根据所处理信号的不同,电子电路可以分为模拟电路和数字电路。模拟电路对信号的电流和电压进行处理。最典型的模拟电路应用包括:放大电路、振荡电路、线性运算电路(加法、减法、乘法、除法、微分和积分电路)。数字电路中信号大小只表示有限的状态,多数采用布尔代数逻辑对信号进行处理。振荡器、寄存器、加法器、减法器等都是典型的数字电路。

磁铁和磁性

磁铁不是人发明的而是从天然的磁铁矿中提炼出来的,最早发现及使用磁铁的应该是中国人。所以“指南针”是中国的四大发明之一。至于成分那就是铁、钴、镍等,其原子结构特殊,原子本身具有磁矩。一般的这些矿物分子排列混乱,磁区互相影响就显不出磁性。但是在外力(如磁场)引导下分子排列方向趋向于一致就显出磁性,也就是俗称的磁铁。铁、钴、镍是最常用的磁性物质,磁铁一般分永久磁铁和软铁。永久磁铁是加上强磁使磁性物质的自旋与电子角动量成固定方向排列,软磁则是加上电流(也是一种加上磁力的方法)等使软铁带磁性电流去掉后软铁会慢慢失去磁性。

磁铁吸引铁、钴、镍等物质的性质称为磁性。磁铁两端磁性强的区域称为磁极,一端为北极(N极),一端为南极(S极)。实验证明,同性磁极相互排斥,异性磁极相互吸引。铁中有许多具有两个异性磁极的原磁体,在无外磁场作用时,这些原磁体排列紊乱,它们的磁性相互抵消,对外不显示磁性。当把铁靠近磁铁时,这些原磁体在磁铁的作用下,整齐地排列起来,使靠近磁铁的一端具有与磁铁极性相反的极性而相互吸引。这说明由于有原磁体的存在的铁能够被磁铁所磁化而没有原磁体结构的铜、铝等金属是不能被磁铁所吸引的。

电磁铁

电磁铁是指内部带有铁心并利用通有电流的线圈使其像磁铁一样具有磁性的装置,通常制成条形或蹄形。铁心要用容易磁化又容易消失磁性的软铁或硅钢来制作。这样的电磁铁在通电时有磁性,断电后就随之消失。电磁铁有许多优点:电磁铁磁性的有无,可以用通、断电流来控制。磁性的大小可以用电流的强弱或线圈的匝数来控制。电磁铁在日常生活中有极其广泛的应用。电磁铁是电流磁效应(电生磁)的一个应用,与生活联系紧密,如电磁继电器、电磁起重机、磁悬浮列车等都是典型例子。

发电机

将机械能转变成电能的电机即为是发电机,它通常由汽轮机、水轮机或内燃机驱动。小型发电机也有用风车或其他机械经齿轮或皮带驱动的。发电机分为直流发电机和交流发电机两大类,而电流发电机又可分为同步发电机和异步发电机两种。现代发电站中最常用的是同步发电机。这种发电机的特点是由直流电流励磁,既能提供有功功率,也能提供无功功率,可满足各种负载的需要。异步发电机由于没有独立的励磁绕组,其结构简单,操作方便,但是不能向负载提供无功功率,而且还需要从所接电网中汲取滞后的磁化电流。因此异步发电机运行时必须与其他同步电机并联,或者并接相当数量的电容器。这限制了异步发电机的应用范围,只能较多地应用于小型自动化水电站。城市电车、电解、电化学等行业所用的直流电源,在20世纪50年代以前多采用直流发电机。但是直流发电机有换向器,结构复杂,制造费时,价格较贵,且易出故障,维护困难,效率也不如交流发电机。因此大功率可控整流器有趋势利用交流电源经半导体整流获得直流电以取代直流发电机。

电动机

电动机分布于各个用户处是把电能转换成机械能的设备,其按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机,电力系统中的电动机大部分是交流电机,可以是同步电机或者是异步电机(电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速)。它是将电能转变为机械能的一种机器。通常电动机的作功部分作旋转运动,这种电动机称为转子电动机;也有作直线运动的,称为直线电动机。电动机的使用和控制非常方便,具有自起动、加速、制动、反转、掣住等能力,能满足各种运行要求;电动机的工作效率较高,又没有烟尘、气味,不污染环境,噪声也较小。电动机能提供的功率范围很大,从毫瓦级到万千瓦级。由于它的一系列优点,所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面得到了广泛应用。