书城自然科学撬动地球的力(探究式科普丛书)
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第9章 纷繁复杂——几种比较常见的力(3)

2.安培力的重要意义

安培力的发现,一方面进一步指出了电与磁的相互联系,另一方面它本身具有很高的应用价值。例如,电动机的工作原理、电磁炮,等等。由此可见,安培力对人类起着非常重要的作用。

第九节常见的力——电磁力

1.什么是电磁力

宇宙有四个基本作用力,分别是重力、电磁力、强核作用力、弱核作用力,其中的电磁力是一种相当强的作用力,其强度仅次于强弱核作用力。

所谓的电磁力,指的是正负电荷、电流在电磁场中所受力的总称。法拉第证明通电导线周围存在磁场后,电磁力便开始得到迅速地发展和利用。此外,也有人称载流导体在磁场中受的力为电磁力,而静止电荷在静电场中所受的力为静电力。电介质在电磁场中受到的有质动力,是电工所关注的,同样也是电磁力。电机中起主要作用的力通常不是载流导体上所受的力,而是磁场作用在铁质电枢上的有质动力。对于电枢上受的有质动力,一般运用虚位移方法由外源供能、场能、机械功的平衡式导出。现在,运用一定的技术条件可以产生强磁场和大电流,这样一来,便可以从中获得强大的磁力。

然而,想要获得大量的静电荷和强电场用来产生强大的静电力还是相当困难的。绝大多数的电动机都是依靠磁力驱动的。例如,电子管器件、静电仪器、静电除尘装置等,它们都是以静电力来实现功能的。

2.电磁力的应用——磁悬浮列车

随着科技的发展,人们对列车速度的要求也越来越高,于是磁悬浮列车就应运而生了。

磁悬浮列车时速可达到500千米,是一种无轮的陆上无接触式有轨交通工具。它的结合能是利用常导或超导电磁铁与感应磁场之间产生相互吸引或排斥力,使列车“悬浮”在轨道上方或下方,进行无摩擦的运行。这样一来,不仅能够克服传统列车车轨黏着限制、机械噪声和磨损,还具有许多优点,例如启动快、停车快等。

实际上,“同名磁极相斥,异名磁极相吸”便是磁悬浮列车的工作原理。在这种情况下,磁铁能够抗拒地心引力,使车体完全脱离轨道,悬浮在距离轨道约1厘米处,腾空行驶,是一种近乎“零高度”的空间飞行,不得不令人为之惊叹。目前,我国上海已经出现了磁悬浮列车,既方便又快捷,这是以后交通发展的新趋势。

第十节隐形杀手——共振

1.凶手是谁

这是一件既可怕又神秘的事件:1968年4月的一个傍晚,在法国马塞附近的一户人家,这家人共有12口人,正在吃晚餐,突然不知什么原因全部死亡。不仅如此,同时有一户在田里干活的农民,一共10口人,同样也是当场死亡。

经过调查,人们这才发现16千米之外有一个国防部次声试验所正在进行次声武器试验,由于技术方面的原因导致次声波泄露,这样一来,次声波便与人体内脏发生共振,导致受害者内脏损伤,血管破裂,在短时间内死亡。如此令人惊骇的杀手竟是共振。

不仅如此,由共振引起的死亡事件还为数不少。共振就如同一个隐形杀手,在不知不觉中让人毙命。例如,一次战役中,军队过桥时导致桥梁塌毁,共振也是罪魁祸首。

2.共振基本概念

当系统受到外界作用发生振动、外界作用的频率与系统频率相接近的时候,强迫振动的振幅就有可能达到非常大的值,这就是所谓的共振现象。对于一个系统来说,它有无数个固有频率,一般以低范围的系统频率为研究对象。

振荡强度即振幅的平方。物理学家通常将这个公式称为洛伦兹分布,出现在许多与共振相关的物理系统中。

在物理学上,共振是一个专业术语,运用频率非常高。两个物体的振动频率相同,如果一个发生振动,便会引起另一个物体的振动的现象叫共振。

在声学中,共振也称“共鸣”,指的是物体因共振而发声的现象。

例如,频率相同的两个音叉,当它们逐渐靠近,其中一个振动发声的时候,便会引起另一个音叉的发声与振动。

然而在电学中,振荡电路的共振现象则被人们称为“谐振”。

在自然界中,共振现象是比较常见的,人类在利用共振技术的同时,一直在尝试着避免共振现象的发生。生活中也存在着许多共振现象。例如,乐器的音响共振、动物耳中基底膜的共振、电路的共振,等等。此外,在太阳系中也有一些类木行星的卫星之间的轨道共振。

无论是力学的、声响的还是电子的系统,它们都有多个共振频率,这是因为在这些频率上振动相对来说是比较容易的,而在其他频率上振动并没有那么容易。一般情况下,对于一个引起振动的频率比较复杂的一个系统,如一个冲击或者是一个宽频振动,便会出现“跳出”它的共振频率随此频率振动的现象,实际上一个系统会将其他频率过滤掉。

有弹性是物体产生共振的重要条件之一。此外,当一个物体受外来的频率作用的时候,它的频率要与后者的频率相同或基本相近。

总体而言,宇宙中大多数物质都是有弹性的,它们几乎都能够以或多或少的固有频率来振动。

不仅如此,共振现象也是宇宙间最频繁和最普遍的自然现象之一。因此,我们在某种程度上甚至可以这样说:“是共振产生了宇宙和世间万物,没有共振就没有世界。”

众所周知,经过一次剧烈的大爆炸才产生了宇宙,然而共振便是促使这次大爆炸产生的根本原因之一。很久以前,宇宙还处于混沌状态的时候,里面就已经开始产生振荡。刚开始,它是一种非常微弱的振荡。随着时间的推移,振荡的频率越来越高、程度越来越强,最终引起了共振。后来,由于共振和膨胀的共同作用,随着一阵惊天动地的巨响,在短时间内,使宇宙急剧地膨胀、扩张。地球上的日月星辰、江河陆地、植物、动物就是这样产生的。

宏观的宇宙是由共振创造而来的。不仅如此,微观物质世界的产生,同样与共振有着不可分割的关系。如果我们从电磁波谱来看的话,便会发现微观世界中的原子核、电子、光子等物质运动的能量传递都是以波动的形式进行的。对于宇宙诞生初期的化学元素,人们通常将它们看成是通过共振合成而产生的。存在于宇宙中的粒子,它们的生成与共振有密不可分的关系,因此,粒子物理学家通常将这些粒子称为“共振体”。

由此看来,共振是宇宙间一切物质运动的一种普遍规律。由于人以及其他生物同样也是宇宙间的物质,共振自然就普遍存在于这些生命之中。

对于人类而言,不仅呼吸、心跳、血液循环等具有固有频率,当人的大脑正在进行思维活动的时候,产生的脑电波同样也会发生共振现象。不仅如此,类似的共振现象同样普遍地存在于其他动物的身上。例如,蝈蝈的鸣叫、鸟类的鸣叫,利用共振使它们的声音更加圆润婉转,旋律优美。

更重要的是,对于地球而言,共振能够起到一定的保护作用。

大家都知道,大量的紫外线是一种射线,具有一定的危害性。一旦它们大举“入侵”地球,人类以及各种生物势必会遭到非常大的危害,这是由于紫外线过多便会对生物的机能造成破坏的结果。然而这一问题我们大可不必担心,大气层中的臭氧层借助共振的威力,阻止了紫外线的长驱直入。在这种情况下,当紫外线经过大气层的时候,臭氧层的振动频率刚刚与紫外线发生共振,大部分的紫外线也就被吸收了。用一个形象的比喻来说,也就是共振能使大气中的臭氧层变得如防晒油一样,大大减少了紫外线的伤害。

另外,共振还可以维持地球的温度,使它冷热适宜,适于地球生命的生存。尽管在臭氧层的围追堵截之下,仍然有一小部分紫外线能够成功突破防线,到达地球表面。到达地球表面的紫外线,经过地球吸收之后,也就变成了红外线,再一次回到大气层中。这时的红外线,热量刚好能够与二氧化碳产生共振,便被留在大气层中,维持大气层的温度,为万物营造一个适宜的生长环境。