书城科普读物新编科技大博览(B卷)——透析万物的物理时空
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第29章 电和磁(5)

这个过程实际上是电压脉冲沿神经索的传播过程。

传播时的电压不过几十毫伏,传播的速度大约每秒30米。

心脏跳动时也会产生生物电。

心肌细胞内外充满了导电液体,由于内外正负离子的浓度不同,细胞内外就存在着电压,在心肌跳动时,这电压就随同变化。

心电图仪就是用来测量这种电压变化的,它能画出反映这种变化的曲线——心电图。

人体细胞也能产生生物电,也能对外界传入的电流作出反应。人体触电后的各种情况,就是例子。

不过,生物电对人体还有一个奇怪的现象。比较大的电流(超过0.1安)脉冲不太容易引起心脏无规则颤动,因为它给了心脏一次很强的刺激,使心脏“卡”在一定状态不再跳动。只要很快地撤除电流,心脏反而更容易恢复正常的跳动。

心脏除颤器就利用了这种现象,它向心脏通入一次大的电流脉冲,去制止其无规则颤动,然后再开始正常的有规律的心跳。

高频率的交流电对人体可能有益(当然电流不能太大)。每秒变化100万次的交流电(家用交流电每秒变化50次)并不干扰神经系统的正常工作。

中医针灸科用的电针就是在人体上两处分别插上两颗针,然后在针间加以高频率的交变电压。

电针能医治肌肉痉痛或关节炎等疾病,只是治病的机理现在还不清楚。

地磁场

为什么两个磁极隔着一定距离就能相互排斥或相互吸引呢?

法拉第首先开始研究这一课题,他认为磁体周围存在磁场,两个磁体是通过磁场相互作用的。

磁场的存在很容易用实验演示出来。

把一根条形磁铁平放在桌上,在它上面放一块玻璃板。再在玻璃板上均匀地撤一层铁屑,轻轻敲动玻璃板,铁屑就会沿一条条曲线排列起来。这些曲线和两端都连着磁铁的两个磁极。

从这里我们可以测出,每条磁感线都是从磁体的N极出来进入S极的。

因此,可以得出:在磁体两极磁感线密,离两极远处磁感线稀;密度大的地方磁场强,反之则弱。可以用甲磁体磁场声乙磁体来表示。

地磁场为什么指南针总是指向南北呢?

因为地球内部也有一个大磁铁——即地磁场的作用。

磁感线的方向是由北极出来而进入南极的,磁感线指北说明地球内大磁体的北极在地理的南方,这大磁体的南极在地理的北方。

实测表明,地磁北极就在地理南极附近,地磁南极就在地理北极附近。

实际上,指南针的指向并不是指向正南正北的,它的指向和地理南北方向稍有偏离,这种偏离就叫磁偏角。

通过对海底地层的研究发现,地磁场的方向,也就是地磁极的南北位置,几十万年要互换一次。

就是现在,也能测出地磁极的位置年年发生不大的变化,使地球上各处的磁场也不断发生缓慢的变化。

不但地球表面有磁场,现已有确凿的证据证明其他星体周围也有磁场。

由于磁现象总和特定物质磁石和铁相联系,而观察静电以及发现电流现象似乎很多物质都能发生,所以很长时间人们都认为磁现象和电现象是互不相关的,产生于不同的根源。

1820年,丹麦科学家奥斯特,把一根导线沿东西方向架起,下面放一个磁针,磁针静止时是和导线垂直的。当他合上电键使电流通入导线时,磁针没有动。

于是,他又将导线沿南北方向架了起来,下面仍放一根磁针。再一通电流,发现磁针转动了。

奥斯特又经过反复多次的实验,得出了这么一个结论:

电流周围存在磁场,正是这个磁场对磁针两极的作用力推动磁针转动了。

人们根据奥斯特的实验结果,进一步得出了电流产生磁场的定量的规律,并且对磁铁为什么有磁性也得到了解释。

分子电流

在一个玻璃板中央打个孔,然后将一根导线穿过这个孔垂直板面。再在玻璃板上撒上一层细铁屑,当导线通电后,转转敲击玻璃板,铁屑便排列起来,显示出电流的磁感线,形状是以电流为圆心的同心圆。

而且,越靠近导线,铁屑排列得越整齐,表示愈靠近电流磁场愈强。

人们又将通电螺线管的磁感线和条形磁铁的磁感线相比较,发现二者极为相似。

根据这一点,安培提出了他的设想——分子电流假说:磁体的分子内都存在环形电流,即分子电流。

安培的分子电流的设想已被近代物理学家们完全证实了。

铁块未磁化时,分子电流的方向是完全紊乱的,它们在外面产生的磁场就会相互抵消而显示不出来。

使铁块磁化就是使它里面的分子电流沿一个方向整齐排列起来。排列的结果是,内部的分子电流处流动方向相反,相互抵消;只留下表面的分子电流流向相同,好像是表面电流一样。

这电流和通电螺线管的电流一样,就在周围产生磁场。

任何物体都是由原子组成的,而原子又是由带正电的原子核和核外电子构成的。这些电子并不是不动的,而是不停地绕着原子核运动的。

这种运动就形成了原子内的电流。

这种实际存在的电流便是安培设想的分子电流。

磁化石的铁棒内这种电子运动形成的小环形电流都整齐地排列起来了,它们于是就成了磁铁。

铁,由于加工方式不同和所含杂质成分的不同,不同的铁块在磁性上是不同的,且差别很大。

有一种铁块很容易磁化,但也很容易退磁,这种铁叫软铁,比如纯铁、含有硅的钢片等。这种铁被广泛地利用来制成电磁铁安放到电铃、电磁起重机中等。

另一类铁块叫硬铁,很不容易磁化,而一旦被磁化成磁体,就不容易退磁而能长期保持磁性,比如铸钢、铝、镍和钴结合成的合金。它们被做成永久磁体而用到电话、电表、小型发电机中。

地球内部的大磁体据说也是铁质形成的。科学探测指出:地球核心部分是铁,此处温度高,把铁都化成铁水。可能是这铁水中的电流形成大磁体,产生了地磁场。

电磁炮

磁场既然能推动一段导线运动,它也可以能推动一颗炮弹或弹丸运动。

现在世界上许多国家,都在研究制造一种利用电磁力来推动炮弹的新式武器——电磁炮。

电磁炮的结构有两条平行的金属导轨,导轨中间夹有一个铜块(或铝块)。铜块前方放着要发射的弹丸。

发射时沿导轨通入很大的瞬间电流。当这电流通过铜块时,发生的热足以使铜块汽化成导电的气体。

导轨的电流在导轨间产生的磁场就对这导电气体产生强大的磁场力推动气体向前运动。

和普通炮中火药爆炸的气体推动弹丸加速飞出枪膛类似,在这里导电气体也会推动导轨间的弹丸以高速发射出去。

常规大炮用火药爆炸推动炮弹,炮弹的出口速度不大于每秒2千米;导弹的发射速度一般不大于每秒7.5千米;电磁炮的发射速度可以达到每秒100千米以上。

这种利用电磁力发射的装置,不仅可以用来发射炮弹,而且预计还可以用来发射人造卫星或航天飞机,也可以应用于飞机的快速起飞或快速降落。

电能

电流能做功,它也具有能量。

能量有各种形式,最简单的形式是动能和势能。使物体移动的能量叫动能;而高于地面的物体所具有的能量叫势能。

一个物体可以同时具有动能和势能。正下落的石块由于它的运动具有功能,同时由于它高于地面而具有势能。动能和势能都叫机械能。

动能和势能是可以相互转化的。

电流的能量叫电能。电流做功,实际上也是一种能量转化过程,电动机带动车辆前进或机床转动时,是把电能转化成了机械能。

机械能、电能、内能是自然界能量的不同形式,不同形式的能量可以相互转化。

能量的转化,有一条自然定律——能量守恒定律——在能量转化的过程中,各种形式的能量的总和是不改变的。即能量不能创生,也不能消灭。

根据能量守恒定律,电动机做功时,电能转化成机械能,消耗的电能应等于机械能。

那么,电能是什么能转化来的呢?

家用电器、工厂里的电动机使用的电能都是从发电厂来的。在发电厂里,是发电机产生电能,这电能是从机械能转化来的。

发电机是在汽轮机或水轮机的带动下转动时产生电的。

为什么转动能产生电呢?

取一根铜棍,用手拿着它竖立在磁铁两极中间的磁场中。手持铜棍不动时,电流表指零,说明没有电流。铜棍向右移动时,电流表指出有电流产生;移动停止,电流又没有了。

使铜棍向左移动时,电流表又指出有电流了,但电流的方向与向右移动时相反。

如果使铜棍前后移动,即沿着由N极到S极的磁力线方向移动,电流表指示没有电流产生。

这个实验说明,电流的产生是和铜棍在磁场中的运动相联系的,不运动没有电流;运动有电流,电流的方向和铜棍运动的方向有关系。

当导线作切割磁感线的运动时,导线中就会产生电流。

至于电流的方向和导线运动方向以及磁场方向的关系,可以用右手定则来表示:

伸开右手掌,使拇指与四指成垂直。让磁感线从手心穿向手背,拇指如果指向导线运动方向,则四指就指向导线中产生电流的方向。

电源产生电流,提供电能。产生的电能是由机械能转化来的。

为什么导线作切割磁感线的运动时,导线就成为电源呢?

基本原理就是磁场对运动的带电粒子的作用力。

交流电与电磁感应

日常家用的电流和工厂用的电流、城市公用电或市电,都是交流电。

交流电的电流的大小和方向都作着周期性的变化。

市电的频率是50赫,即每秒钟电流方向来回变化100次,电流大小由强到零再到强的变化也是100次。

变化的电流会使日光灯的亮度发生频率相同的周期性变化,忽明忽暗,只是变化太快,人眼是感觉不出来的。

如果在日光灯下,拿一根细棍来回快速晃动的话,会看到细棍忽隐忽现地闪动。

交流电与电磁感应这就是交流电强度大小周期性变化的显示:电流大时,灯亮,看到了棍;电流为零时,灯不发光,没有光照着细棍,也就看不见棍了。电流不断地交替忽大忽零,灯就不断地忽亮忽暗。

由于棍是在动的,所以就看到它在不同地点忽隐忽现地闪动了。

发电机最基本的结构是一个矩形导线圈架在磁铁两极间的磁场中,可以绕竖直轴转动。

线圈的两头分别焊到两个铜环上。这两个铜环随线圈一起转动。另外还有两个导体片电刷和铜环接触。这两个电刷和外电路相连。

从上方看下去,当线圈在外力带动下沿顺时针方向转动时,由于线圈在磁场中转动产生的电流由一电刷流出,又一电刷流回。

当线圈转过180度时,线圈中产生的电流方向改变,电刷流出流进也会倒过来。

如此不断地转下去,电刷分别交替地成为电流的正极和负极,通过灯泡的电流方向和大小也就跟着做同频率的周期性变化了。

这就是交流发电机的基本原理。

发电厂内实际的交流发电机的结构要比这复杂得多,但基本上还是磁体和线圈两部分。

磁体用的都是电磁体,而且常不止一对磁极。线圈也不止一圈,而且很多圈。

有的发电机还把线圈装在外面机壳内保持固定,而把磁体装在转动轴上。当磁体转动时,磁感线也跟着转动。

由于运动是相对的,固定的线圈就不需要通过铜环和电刷来向外输送电流了。这就免去了电刷与铜环接触不好时打火花的危险。

大功率发电机,均采用了这种旋转磁体式的结构。

导线在磁场中运动产生电流的现象是法拉第在1831年发现的。

导线作切割磁感线的运动时产生电流的现象是一种电磁感应现象。

法拉第还发现了另一种电磁感应现象:当一个线圈中的电流发生变化时,在它附近的另一线圈中就会感应出电流来。

这两种由于磁场的参与而产生的电流都叫感应电流。

为了说明他的发现,法拉第向观众表演了他制造的人类历史上第一台发电机。

这台发电机是把可以转动的铜盘的一半插到蹄形磁铁的两极中间。转动盘子,分别与铜盘边缘和转轴接通的电流表就显示出有电流通过。

这电流实际上是运动导体切割磁感线时产生的。

铜盘转动时,插入磁极间的那半边的铜导线段(铜盘可以视为由许多沿半径方向的铜导线段拼成的)都要切割磁感线,因而沿半径方向就会产生电流。

电的输送

电产生之后,到底是怎样从一个地方送到另一个地方的呢?

输送电能就要用导线把发电厂和用户连接起来,让电流流过电导线,把电能由发电厂传给用户。在野外看到的铁塔上架起的电线就是输送电能用的。顾名思义叫输电线。

为什么输电线要用高塔架起来呢?

这是因为输电线的电压很高,为了安全起见,必须把它们架在高空。这些输电线叫高压输电线。

为什么输送电能要用高压呢?

电流通过输电线会发热,发热要消耗电能,而这热都散失到周围空气里浪费掉了。在输送过程中,会白白消耗电能。

尽可能减少发热损失,是远距离送电需要解决的一个根本问题。

输送电能的多少是以电功率计算的。电功率等于电压和电流的乘积。

发电机正负极所直接产生的电压不过几百到一两千伏。如果用这样的电压输送60万千瓦的电功率(大概只够一个中等城市用),电线上的电流至少要有60万安。

这样大的电流通过电线会产生大量的热,甚至可能把电线烧断。

怎样减少电流所产生的热呢?

一种办法是减少输电线的电阻,因为发热量和导线的电阻成正比的。在输电距离一定的情况下,减小导线电阻就只能增大导线的直径了。但这一办法是根本无法做到的。

另一种办法就是减小通过输电线的电流,因为导线发热是随电流的减小而减小的。

因为电功率等于电流和电压的乘积,因此远距离送电均采用提高送电电压。

输送电能的过程一般如此:在发电厂里,先把发电机产的电压升高到10万伏或50万伏。