书城科普读物站在巨人肩上-从富兰克林谈电物理学
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第12章 电路

电子的定向运动形成了电流,那么电子在电路中是怎样做定向运动的呢?

有些人看到一拉开关电灯就亮,认为是发电厂的电子在拉开关的瞬间飞速地跑到了电灯上,也有些人认为电子可能是在电路中一个顶一个地做“顶牛接力”,推倒第一个电子时,其他电子就接连不断地被推倒。这些猜想虽然都有一定的道理,但是都不对,电子在电路中究竟是怎样运动呢?为了说明这个问题,我们先来了解一下阅兵的场面。

阅兵开始前,队伍在大街上静静地等候着。当总指挥一声令下,阅兵仪式开始,队伍中的每个人听到了命令,都动了起来,整个队伍就开始前进了。电子在电路中的运动就好像阅兵的队伍一样。

闭合开关,接通电路,这就像阅兵队伍的总指挥一声号令,整个电路上各处的电子都很听话,几乎同时开始向正极前进,形成了电流,电灯亮了。号令传播的速度跟光速相同,都是300000千米/秒,这是一个相当高的速度。

应该说明的是,电子开始前进是很及时的,但是前进的步伐却很缓慢。例如,在直径约2毫米的铜导线上,若通过10安培的电流,这时电子定向前进的平均速度只有0.02厘米/秒。按照这个速度前进,电子定向移动1厘米,大约需要45秒!

电阻与我们的日常生活关系紧密,只是我们很少去注意它。

早晨起来,我们打开收音机听新闻广播,调节音量时实际上就是调节电位器的电阻;晚间看电视,电视机的亮度、黑白对比度及音量的控制也都是通过转动电位器,改变电阻的大小,从而改变电流的大小而实现的,电流大,喇叭声响,荧光屏亮。

我们外出乘电车,电车上也要用电阻。无轨电车是依靠直流电动机驱动的,电动机通过调节电阻的大小来改变电流,从而改变电动机的转速,达到调节车速的目的。电车司机就是用脚踏的轻重不同来控制自动开关,改变电阻的大小,控制车速的。

电阻家族中的成员很多,大小、构造、模样一般都不相同,而且随着科学的发展,又不断出现一些新型的电阻。

绝缘体是如何变导体的呢?让我们来看看这个实验。首先,拿来一只废旧的白炽灯泡,小心地敲击灯泡的玻璃外壳,留下里面的玻璃柱和两根铜丝,并且把两根铜丝接入电路。开始时电路中的灯泡不亮,因为两根铜丝与玻璃柱相连,而玻璃是不导电的绝缘体。再拿一只酒精灯,给玻璃柱加热。过了一会儿,灯泡亮了。大家都很惊奇,为什么酒精灯能点亮电灯呢?

我们都知道,玻璃是绝缘体,因此,用它连接电路当然不会通过电流,灯泡不会亮。

可是,绝缘体并不总是不导电的,在一定的条件下,绝缘体也可以变成导体。在加热的情况下玻璃就变成导体,所以灯泡就亮了。绝缘体变成导体的情况还有很多,例如,在高电压下,原来绝缘的空气、橡胶、塑料、干木材等都会变成导体。所以,高压变压器附近是不允许人们靠近的,以免触电。纯水是绝缘的,但是,水中若掺有杂质后也就能导电了。

由于绝缘体在一定的情况下会变成导体,所以我们一定要警惕这些随时可能发生变化的物体,以免造成伤害。

我们经常要用到干电池,干电池是有一定的寿命的,用了一段时间以后就不能再用。如果我们想想办法,能不能让干电池复活呢?

首先,让我们解剖一个干电池,看看它的构造吧。干电池有两个电极,一个是正极,就是立在圆筒中央的碳棒,它的顶端有一个小铜帽;一个是负极,就是用锌做成的圆筒。锌筒的内壁衬着氯化锌溶液和淀粉混合做成的糊状物。在碳棒和糊状物之间,装有用氯化铵溶液喷湿过的二氧化锰和碳粉的混合物。

当碳棒和锌浸在氯化锌溶液中时,在电极与氯化锌之间就进行着化学反应。结果使碳棒带正电,成为正极,锌筒带负电,成为负极,也就是说,化学反应就像电子泵一样,把碳棒上的电子搬到锌筒上,这样,碳棒缺少电子而带正电,锌筒多了电子而带负电,两个电极之间就有了电压。如果用导线把一个小灯泡与两个电极相连,小灯泡就会发亮。只要化学反应不停止,电流就可以持续下去。如果化学反应进行完了,电源就失去作用了,也就没有电流了。一般手电筒常用的电池叫一号电池,如果电路上接5欧姆的电阻,每天连续放电30分钟,可用850分钟。

从以上的文字我们可以看出,干电池不能进行化学反应的主要原因是电糊干了,氯化铵不能与锌继续起作用或者是由于氯化铵少了的缘故。针对这个原因,我们可以让电池再复活。办法是:在干电池的底部用铁钉打两个小孔,孔要打在靠锌皮的地方,深度要超过电池高度的2/3以上。在小孔内分别灌入氯化铵饱和溶液,如果没有氯化铵,可用普通食盐。饱和溶液的制法是,取一杯热水,渐渐加入氯化铵或食盐,不断地搅拌,待杯底有一些沉淀而且不再溶化了,就停止加氯化铵或食盐。放置24小时以后,上面澄清的水就是饱和溶液。然后将该溶液注入小孔内,一直到注不进去为止,最后用熔化的蜡封住两个小孔,干电池就复活了,用它可使小灯泡重放光明。

这种干电池复活的方法虽然从经济上讲价值不大,但是当干电池不能用时,我们自己用简单的方法使它重新复活,的确是一件很有趣味的事情。需要注意的是,一节干电池用这种方法复活一般只能重复进行二三次,次数多了就不起作用了。

电池是一个大家庭,这个大家庭有许多的成员。尽管种类繁多,但总的说来,可以分为化学电池和物理电池两大类。化学电池主要包括干电池、蓄电池、燃料电池、微生物电池等等,物理电池有太阳能电池和放射性同位素电池两种。

很多人可能都在电视上看过宇航员在宇宙飞船里喝水的情景,但可能没有人想到宇航员喝的水是由一种特殊的电池提供的,这种电池就是燃料电池。

我们知道,一般电池由正极、负极和电解液三部分构成,燃料电池也是如此。通常燃料电池以氢、甲醇、甲烷、甲醛作为燃料,用氧气、空气、双氧水作为氧化剂,燃料和氧化剂通过催化剂的作用,在两个电极上分别发生氧化和还原反应。如果在飞船上采用氢氧燃料电池,氢就会在电极上氧化生成水,供宇航员饮用,从而大大减少飞船携带水的数量。可见,燃料电池既提供电能又提供饮水,真是一举两得。

燃料电池与其他电池或一般发电方式比较,它最大的特点就是效率高,此外,它还具有无噪声、少污染的优点。因为燃料和氧化剂都是从电池的外面连续地往里输送,故它不需要充电再生;它的功率范围大,可以从几十毫瓦到几万千瓦。由于燃料电池具有很多的优点,所以燃料电池现在已被广泛地应用到宇宙航行的通信设备、潜艇以及无人照顾的场合,像航标、气象站等地方。

放射性同位素能放出各种射线,如α、β、γ射线,并放出大量的热量。人们把这种热能转变成电能或把射线作用于某些物质转变成荧光,再使荧光作用于硅光电池产生电流,这样就做成了放射性同位素电池,即核电池。

核电池的可靠性很高,工作寿命可达5~10年,目前人们正在设计能工作15~20年的核电池。核电池还可以在很大的温度范围和恶劣的环境中工作,例如,它不怕月球表面127℃~183℃高温的变化,也不怕深海下的高压和腐蚀。正因为如此,人造卫星、空间探测器以及高寒山区、远海孤岛等地方,核电池备受青睐。

在密闭的宇宙飞舱里,必须处理宇航员排出的尿。美国为此设计了一个巧妙的方案:用一种芽孢杆菌来处理人尿,使人尿生产出氨气,氨作为电极活性物质在铂电极上发生电极反应,这样就构成了微生物电池,亦称生物化学电池。一个人一天排出的尿,可获得47瓦的电力。这样既处理了尿液,又获得了电,在宇宙飞行中,真是一个两全其美的事情。

近几年来,日本研制成功一种比纸还薄的超薄电池,为电子计算机及电子手表的微型化开辟了美好的前景。这种电池的大小为4平方毫米,厚度仅0.034毫米,大约是头发直径的一半左右。超薄电池可以重复充放电2000多次,每次充电后可使用200~300小时,而且提供的电压基本稳定在2.5伏。它可贴在太阳能电池的里层,白天利用太阳能电池充电,晚上向太阳能电池放电,可以说是一种“永久性”的电池。

随着电子化技术的发展,研制体积更小、寿命更长、适应性更强、能量更大的电池,是今后的重要课题。