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    电的奥秘
    • 作者:管理员 更新时间:2013/11/18 18:26:49 【字号: 】 本条信息浏览人次共有

        我们的周围处处是电——对于我们大多数人来说,没有电的生活简直难以想像。下面只是其中的几个例子:

    • 在整个屋子里,您或许都能够找到电源插座,可以在插座上插接各种电气设备。
    • 大多数便携式设备均带有电池,电池所能提供的电力取决于它的容量。
    • 下雷雨时,会有大量的电一闪一闪地从天空释放,人们称之为闪电
    • 您可能在干燥的冬天里会被静电电到,这属于超小规模放电。
    • 利用太阳能电池,能很容易通过阳光来发电;也可以利用燃料电池通过氢和氧中的化学能来发电。

        那么,我们称之为“电”的这种神秘物质究竟是什么?电究竟来自何处,为什么它能做那么多的事情?

        我们从电源插座和电池中获取的电可以为各种设备供电。这是因为电的使用方式有上千种。例如:

        很难想像在没有电的世界中生活的现代人是如何一番景象。如果没有电,我们将不得不倒退到依靠壁炉取暖,用烧木柴的炉子做饭,点蜡烛照明,靠尺子来计算。如果要远距离沟通,我们就得使用烟火信号或明信片。

        电始于电子。如果您读过原子理论这篇文章,那么就会知道每个原子都包含一个或多个电子。您还知道,电子带有负电荷

    最简单的原子模型
    最简单的原子模型

        在很多材料中,电子都被原子紧密地束缚着,如木头、玻璃、塑料、陶瓷、空气、棉花……在这些材料中,电子都被紧密束缚在原子之中,而且由于这些电子不运动,因此即使它们有电,导电性能也极差。这些材料属于电绝缘体

        但大多数金属的电子都可从其原子中分离出来并四处运动。这些电子被称为自由电子。金、银、铜、铝、铁等金属都带有自由电子。自由电子使得电流很容易在这些材料中流动,因此这些材料称为电导体。它们可以传导电流。运动的电子将电能从一点传送到另一点。

    导体

        电需要导体才能运动。此外,还需要某种能让电从导体的一点流向另一点的力量。一种让电子流动的方法是使用发电机。发电机是利用磁体来使电子产生运动的。

        电和磁之间存在着一定的联系。如果让电子在导线中运动,则电子会在导线周围产生磁场。(有关详细信息,请参见电动机工作原理电磁体工作原理。)同样,如果您在导线附近移动一块磁体,则磁场会导致导线中的电子发生运动。

    电和磁之间存在着一定的联系
        发电机是一种相当简单的装置,它在导线附近移动磁体,以产生稳定的电子流。
    若要了解发电机工作原理,一种简单的方法是将发电机想像成一个抽水的泵。只不过发电机抽的不是水,而是利用磁体来推动电子运动。这样说未免有点太过简单,但这个比喻的效果却很好。

    水泵利用水可以做两件事:

    1. 水泵使一定数量的水分子发生运动。
    2. 水泵将一定的压力施加到水分子上。

    同样地,发电机中的磁体也可以:

    1. 推动一定数量的电子。
    2. 将一定的“压力”施加到电子上。

        在电路中,移动的电子数量被称为安培数或电流,以安培为单位。推动电子运动的“压力”被称为电压,以伏特为单位。因此,您可能会听到有人说:“如果你让这台发电机的转速达到1,000转/分钟(rpm),那么它在电压为6伏特时能产生1安培的电流。”1安培是指运动的电子数量(1安培的物理意义是每秒通过导线的电子数为6.24x1018),而电压则是这些电子所承受的压力。

    电路

        不管您是使用普通电池、燃料电池还是太阳能电池来发电,有三点始终是相同的:

      电子从电源开始移动,经过负载,然后再返回到电源
    • 电源将有两个端子:正极端子和负极端子。
    • 电源(不管是发电机、电池还是其他可以提供电力的装置)会在一定的电压下将电子从负极端子推出。例如,一块AA电池通常需要1.5伏特的电压才能推动电子。
    • 电子将需要通过一根铜导线或其他导体从负极端子流向正极端子。如果正负端子之间存在一条通路,则会形成一条电路,电子可以通过导线流动。

    • 您可以在电路中连接任何类型的负载(如灯泡电机电视等)。电源将为其供电,这样负载就可以工作了(如发光、转动轴、生成运动画面)。

        电路可能会很复杂。但即使最简单的电路中也始终会有:电源(如电池)、负载(如灯泡、电机)和在电池和负载间输送电流的两根电线。电子从电源开始移动,经过负载,然后再返回到电源。

        运动的电子能产生能量。当电子从一点移到另一点时,它们会做功。例如,在白炽灯泡中,电子的能量用于产生热能,而热能又转换为光能。在电动机中,电子的能量产生磁场,磁场与其他磁体交互(通过磁的引力和斥力)而产生运动。每个电气设备都以某种方式利用电子的能量来产生有用的副效应。

    闪电是什么?

    运动的电子能产生能量
    美国国家航空和航天局供图
    如果说空气是绝缘体,那么闪电又是如何从云层穿过非导体物质传到大地上的呢?在发生闪电时,云层和大地之间累积的电能非常大,最终达到可以从空气的原子中剥离电子的程度。一旦这种剥离过程开始,空气就会变成一个等离子体(物质的一种分离状态,在热或者高压的作用下,物质会产生大量自由电子——请参见等离子切割机工作原理,了解关于这种状态的信息)。一旦进入等离子状态,空气就很容易利用自由电子导电,闪电则可通过等离子导体击中大地。

    这个原理还可以用来解释火花塞眩晕枪的导体之间出现瞬间放电的现象,以及电流从荧光灯管的一端传到另一端的情况。


        [---分页---]如果您在美国生活,那么您的房子或公寓墙壁上的电源插座提供的电压为120伏。

        设想一下将空间加热器插到壁装电源插座中的情景。您测得从插座流入加热器的电流为10安培。这表明加热器的功率为1,200瓦。

      伏特*安培=瓦特

        因此,120伏特*10安培=1,200瓦特。

        这适用于任何电气设备。如果您接上的是烤箱,而流经烤箱的电流为5安培,那么烤箱的功率为600瓦。如果您接上的是一盏灯,而流入的电流为0.5安培,那么灯泡的功率为60瓦。

        让我们假设您打开了空间加热器,走到外面去观察电度表的变化。电度表的用途是测量流入房间的电量,电力公司据此进行收费。我们假定屋子里没有打开任何其他电器,因此电度表测量的只是空间加热器所用的电量。

        空间加热器正以1,200瓦的功率运行,也就是1.2千瓦——1千瓦等于1,000瓦。如果让空间加热器连续开1个小时,那么使用的电量将为1.2千瓦小时。如果电力公司对每千瓦小时的收费是10美分,则您的空间加热器每开1小时,电力公司就会向您收取12美分的费用。

      1.2千瓦*1小时=1.2千瓦小时

      1.2千瓦小时*10美分/千瓦小时=12美分

        同样,如果灯泡的功率为100瓦,那么开灯10个小时所消耗的电量将为1千瓦小时(100 瓦*10小时=1千瓦小时)。

        如果有一个功率为20,000瓦的热泵,每天开5个小时,则热泵每天消耗的电量为100千瓦小时(20千瓦*5小时=100千瓦小时),或者说每天要交10美元的电费(如果1千瓦小时的电费为10美分的话)。如果这样开一个月,则每月热泵的电费为300 美元(30*10美元)。在温度很低时,电费会很高的原因就在于此——热泵需要长时间运行来供暖。

        电学中的三个最基本的单位是电压(V)、电流(I)和电阻(r)。如前所述,电压的单位为伏特,电流的单位为安培,而电阻则是用欧姆来衡量的。

        我们可以稍稍拓展一下关于水的类比法,以便更好地理解电阻的含义。电压相当于水压,电流相当于水流速度,而电阻相当于管道尺寸。

        下面是电气工程的一个基本方程式,它阐明了这三者之间的关系。电流等于电压除以电阻。

      I=V/r

        比如您用软管从蓄水池引水为花园浇水。如果增加蓄水池中的水压会怎样?您知道软管中的水流会更急。这同样适用于电气系统:电流会随着电压的增加而增大

        如果增加软管以及蓄水池接口的直径呢?您会猜到软管中会流出更多的水。这正如电气系统中电流会随着电阻的减小而增大一样。

        当观察普通白炽灯泡时,您可以从物理学角度看出这个有关水的类比在其中的作用。灯泡的灯丝是一根极细的导线。这根细导线会妨碍电子的流动。您可以通过电阻方程式来计算导线电阻。

        假设有一个功率为120瓦的灯泡插在壁上插座中。电压为120伏,则120瓦灯泡流过的电流为1安培。您可以通过将方程式变换为如下形式来计算灯丝电阻:r=V/I。因此,电阻为120欧姆。如果灯泡的功率为60瓦,则灯丝电阻为240欧姆。

    直流电与交流电

        电池、燃料电池和太阳能电池都可以产生直流电(DC)。电池的正极端子和负极端子始终分别为正极和负极。电流始终以同一个方向在这两个端子之间流动。

        而电厂提供的电称为交流电(AC)。电流方向每秒钟转换或者交替60次(在美国)或50次(在欧洲)。壁上插座提供的电力为120 伏、周波为60的交流电。

        交流电的一大优势在于,它让电网可以使用一种名为变压器的设备,让改变供电电压的工作变得相对简单。通过在长距离输电过程中使用非常高的电压,电力公司可以节省大量资金。下面讲述其工作原理。

        假设某个电厂的发电量为100万瓦。一种传输电力的方式是在电压为1伏时输送 100万安培的电流,另一种方式为在电压为100万伏时输送1安培的电流。输送1安培的电流只需要一根细导线,并且在传输过程中不会损耗多少功率,而输送100万安培的电流将需要一根巨大的导线。

        因此,电力公司在输电时将交流电转换为很高的电压(例如100万伏),然后在配电时再将其降为很低的电压(例如1,000伏),最终降至120伏入户,从而保证用户的人身安全。120伏电压导致人员死亡的几率要比100万伏低得多,并且现在通过使用接地故障断流器(GFCI)插座可防止大多数触电死亡事故的发生。

    有关详细信息,请参见电网工作原理

    地线

        在谈到有关电的话题时,您经常会听到“电气接地”,或直接就说“地线”。例如,发电机上会标明“使用前请确保连接好地线”,一台电气设备上也可能会有警告提示“在正确接地前请勿使用”。

        其实,电力公司是将大地作为电力系统中的一根导线。大地是一个性能良好的导体,并且它极其巨大,因而成为电子的良好回路。在配电网中,“地”实际上就是指它的字面意思,即您在外面行走时周围的所有“土地”。它包括大地的泥土、岩石、地下水等物质。

        很多时候,配电网系统都需要接地。例如,在这张照片中您可以看到有一根电线上标着地线:

    很多时候,配电网系统都需要接地
        在下面这张照片中,从电线杆侧部下来的裸线将架空地线并直接连到大地:

    从电线杆侧部下来的裸线将架空地线并直接连到大地
        地球上的每根电线杆都有一根类似的裸线。如果您看到过电力公司安装新电线杆,就会发现裸线的末端固定在一个线圈中,并连到电线杆的基座。一旦电线杆安装完毕,线圈会与大地直接接触,并埋在地下1.8到3米深的地方。这是一种良好而坚固的接地连接。如果仔细研究电线杆,您会发现两根电线杆之间的地线(通常张索也是如此)通过这种方式来接地。

        类似地,在房间或者公寓中的电度表附近有一个2米长的铜棒接到地中。房间中的接地插头和每个插座的中性插头与此铜棒相连。

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