第一章电场电流 4图1.2-7是某电场区域的电场线分布,A、B、C是电场中的三个点。 (1)哪一点电场最强,哪一点电场最弱? (2)画出各点电场强度的方向。 (3)如果把一个带负电的点电荷分别放在这三点,画出它所受静电力的 方向。 图12-7 生活中的静电现象 【放电现象」火花放电是最常见的放电现象在干燥的天气里脱 去化纤衣服时,由于摩擦,身体上会积累大量电荷,这时如果手指靠 近金属物品,会看到火花、听到噼啪声。这就是火花放电。实验室中 感应起电机的两个导电杆之间也能发生火花放电。 在生活生产中,为了防止电荷在导体上过量聚集,常常用导线把1.31起电机导电杆间的 带电导体与大地连接起来,进行接地放电。运输汽油等易燃易爆物品火花放电 的车辆总有一条铁链拖在地面(图1.3-2),可以把静电荷引入大地, 避免放电时产生的火花引起爆炸。飞机轮胎用导电橡胶制成,也是为 了在着陆时使机身积累的电荷流入大地。 图13-2汽车拖的铁链能把 雷电和避雷]云层之间或云层与地面之间发生强烈放电时能电荷导人大地 产生耀眼的闪光和巨响,这就是闪电和雷鸣。闪电的电流可以高达几 十万安培,会使建筑物严重损坏。 防止雷害,应该从科学入手。富兰克林通过一系列实验,发现了尖端放电 point discharge) 现象,并且在1753年发明了避雷针。尖端放电跟电荷在导体表面的分布规律有关。 演示》 观察电荷在导体上的分布 如图1.3-3所示,把导体安放在绝縿支架上,并使导体带电。然 后用带绝緣柄的验电球P接触它的A点,再与验电器接触,检验A 点的带电情况。 按同样的方法也可以检验B点、C点的带电情况。 图13-3检验A、B、C点 的带电情况
第一章电场电流 如果电荷在带电导体表面分布是均匀的,在各次测试中,验电器张开的角度应该是相同 的。实际情况怎样呢? 实验表明,验电球跟带电体的A处接触后,再接触验电器的小球, 验电器的金属箔张角较小;跟B处接触后,验电器的金属箔张角较大; 跟尖端C处接触后,验电器的金属箔张角最大。这表明,电荷在导体表 面的分布是不均匀的:突出的位置,电荷比较密集;平坦的位置,电荷 比较稀疏 导体尖锐部位的电荷特别密集,尖端附近的电场就特别强,会产生 尖端放电。高压电气设备的金属元件,表面要很光滑,就是为避免因尖 端放电而造成电能损失或造成事故。 图1.3-4高压电气设备 避雷针则利用了尖端放电的原理。 的放电现象 演示 一种避雷针的避雷原理 图1,3-5是模拟避雷针作用的实验裟置。如图所示,金属板M接高压电源的正极,金 属板N换负极。金属板N上有两个等高的金属柱A、B,A为尖头、B为圆头。逐渐升高电 源电压,当电压达到一定数值叶,可看到放电现象。 图1.3-5避雷针模拟实验 实验时身体要远离带电体,以防触电。 A、B两个金属柱,哪个容易放电? 带电云层靠近建筑物时,同号电荷受到排斥,流入 大地,建筑物上留下了异号电荷。当电荷积罴到一定程 度时,会发生强烈放电现象,可能产生雷击。 如果建筑物安装了避雷针,在避雷针上产生的感应 电荷会通过针尖放出,逐渐中和云中的电荷,保护建筑 物,使其免遭雷击。 雷电对人类生活也会产生益处。闪电产生的高温促 甲带电云层靠近乙避雷针通过尖 使空气中的氧和氮化合成氮氧化物,随雨水降至地面,建筑物时,速筑物放电中和了云层 成为天然的氮肥。闪电产生的臭氧留在大气层中,能保带上了异号电荷。中的电荷 护地球上的生物免道紫外线的伤害。 图1.3-6避雷针的凉理
第一章电场电流 OSTS 避雷针的发明与古建筑保护 富兰克林不仅发现了曹电现象的本质,还最早认识了尖端放电的重要性,并由此提出了避 针的设想。他说:“尖端有这种本领,不是可以用于保护人类,保护房屋、教堂、船舶免遭窗击 吗?它不是可以在云走到足够近、发生售击之前,从云里悄悄地取走电火,从而使我们避免最突 然和可怕的伤害而得到安全吗?”富兰克林在他自己印剧发行的1753年的历书中评细介绍了避 富针的制作安装方法。到1782年,富兰克林居住的费城已有约400根避针在使用。避雷针是电 学研究给人类带来的第一项有实用价值的发明。 有趣的是,由于富兰克林是美国《独立宣言》的起草人之一,愚盘而狂妄的英王乔治三世 1777年曾下令将白金汉官的避雷针改为圆头,并要求英国皇家学会会长普林格尔(J. Pringle 学会中批准圆头避针方案。普林格尔维护科学真理,拒绝了国王的要求,并因此被革去皇家 学会会长职务。为此,富兰克林在1777年10月14日给他朋友的信中写道:“国王将尖头避针 改为钝头避雷针,这对我来说倒无关紧要。他倒不如干脆宣布避雷针无效而完全取消。”当然 科学终究会战胜愿味和偏见,英国也只能安装央头避雷针 避售针的确保护了许多高大建筑免遭官害,使得许多历史遗迹完好 地保存了下来。 我国是一个历史悠久的文明古国,有许多建于避针发明之前的古 建筑,它们如何避雷呢?现在,保护世界文化遭产已经成为全人类的共 同任务,人们争论的话题是:中国古建筑有没有避雷的措施?要不要给 古建筑安装现代的避雷装置? 山西应县木塔是我国现存的最高的木结构建筑。900多年来,在 图1.3-7应县木塔 开闻的平原上,这座高大的建筑是怎样避免雷击的?近年来,人们对 木塔进行了实地考察和高电压模拟实验。有的研究者认为,木塔的塔 基有很好的绝缘性,提出了应县木塔绝缘避雷的说法。 湖北的武当山古建筑群是世界文化遗产之一,在式当山主峰 天柱峰上有一座金殿,是我国现存最大的铜铸鎏金大殿。这座金 殿最为奇特的就是,每逢电闪鸣的时候,火球会在金殿周图滚 动,但霹雳却击不现全殿;雨过天晴后,大厥光彩夺目,像被洗 过一样,这就是“雪火炼殿”奇观。后来,因金殿周围的一些建 筑物常遗雷击,金殿也安装了避雷设施。此后,曹火炼殿奇观消 失,没有水火的洗炼,全殿的色泽也淡了许多。 图1.3-8武当山天柱峰上的金殿 位葡萄牙传教士1668年写了一本《中国的十二大奇迹》 讲到他所见到的中国建筑避雷装置。他说,中国屋宇的屋角以龙头装饰,龙口吐出曲折的金属舌 头,“巨兽的舌头指向空中,其腹内穿过金展条,金属条一端插入地里。”这样,闪电发生时,就 不伤害任何人。这本书写在欧洲发明避雷针以前,不可能是作者的想像或编造。遗傅的是,我 们今天没有发现这样的古建筑物,也许是由于300多年的战乱、灾难和贫穷,金属条被破坏了或 失窃了。 今天,世界各国都十分重视古建筑的保护。保护世界遗产,科学地保护文物,是一个十分艰 巨而复杂的问题,也是历史赋予的贵任
第一章电场电流 静电的应用和防止静电在工业和生活中有很重要的用途,有时又会带来很多麻烦,需 要防止。在许多场合都可以发现人们应用静电的例子。同学们也可以发现许多防止静电的例 子。关于静电的应用和防止,你知道哪些? 下面几幅插图介绍了应用静电的几个实例。同学们可以通过书籍查询、参观、调查等方 式了解得更多。可以将你们学习的成果与同学交流。 图1.3-10燃煤时会产生大量煤灰污图13-11当油漆从喷枪中喷出时,喷嘴使图1.3-12复印机是利用静电的吸 染大气,在烟囱底部安装静电除尘器油漆微粒带正电。它们相互排斥,扩散开来附作用工作的 就可以把煤灰除掉 形成一大团漆云,被吸附在带负电的物体 表面。这种静电喷漆的方法省漆而均匀。 洁净气体 这里简单介绍静电除尘的原理。除尘器圆筒的外壁连到高压 电源的正极,中间的金属丝连到负极。圆筒中气体分子中的电子 和带正电的部分由于受到方向相反的强大的静电力而分离(这个 现象叫做“电离”)。粉尘吸附了电子而带负电,飞向筒壁,最后在 重力的作用下落在筒底。这个方法不但可以静化废气,而且便于 湿浊气体 回收其中的有用物质 关于静电的危害,前面已经谈到放电火花可能引起易燃物的 灰尘 爆炸。说一说,静电还有什么危害,或者给我们带来哪些不便? 图13-9静电除尘装置 问题和练习 1.收集放电火花引起爆炸的事例,结合周围的实际情况说明应该采取哪些安全措施避免类似的 事故。 2在燃气灶上常常安装电子点火器,用电池接通电子 线路产生高电压,通过高压放电的电火花来点燃气体。我们 看到,图1,3-13中点火器的放电电极傲成了针尖状。为什么 放电电极做成针尖状而不是圆头状 与此相反,验电器的金属杆上端却做成金属球而不做成 针尖状,为什么? 3在气候干燥的季节,小明脱掉外衣后去拉金属门把 手时,被电击吓了一跳。他赶紧缩回了手,觉得很奇怪。他 决定再试一下,用手小心地去摸金属把手,然而又一切都正 图1,3-13电子点火器的针状电极
第一章电场电流 常。这是什么原因? 4观察你家乡的高层房屋、高大电线杆和其他建筑物的避雷装置,写成简单的调查记录 5讨论:雷雨来临时,怎样防止雷击,保障人身安全?在不同的场合(例如在旷野,在森林,在 输电线附近……)应该采取什么可行的避雷措施? 四、电容器 1748年的一个晴朗的日子,在巴 黎圣母院前有一场大型“魔术”表演, 观众是法国国王路易十五的王室成员 和大臣们。 “魔术师”诺莱特(A.J.A. Nollet, 1700-1770)调来700个修道士,让他 们手拉手站成一排,全长约300m,队 伍十分壮观。装着水的大玻璃罐内有 根金属引线通到外面,与一个迅速 转动并受到摩擦的大玻璃圆盘相连。 图1.4-1众齐跃 随着诺莱特一个手势,排在最前面的 修道土用手握住了从瓶口引出的金属线。一瞬间,700个修道士几乎同时惊叫着跳了起来,在 场的人无不目瞪口呆。 原来这是一场大规模的“电震实验”。玻璃大圆盘是起电机的一部分,而那个神奇的大玻 璃罐,是一个能将电荷储存起来的“莱顿瓶 「电容器莱领瓶是最早出现的电容器( apacitor电容器是储存 电荷的装置。 电容器是电气设备中的重要元件,在实际中有广泛的应用。打开收 音机、电视机、计算机等电子设备的外壳,在线路板上可以看到各种各 样的元件,其中就有电容器。 图1,42平行板电容器 在两个正对的平行金属板中间夹上一层绝缘 金属箔物质—电介质 dielectric),就形成一个最简单 图14-3电容器的符号 的电容器,叫做平行板电容器。两个金属板是电 容器的两个极板( plate)。把一个纸介质电容器拆开后就会看到,它是 由绝缘纸和金属箔叠在一起卷成的(图1.4-4)。实际上,两个彼此绝缘 而又互相靠近的导体,都可以组成一个电容器。 图1.44纸介质 电容器的结构 把电容器的一个极板与电池组的正极相连,另一个极板与电池组 14