物理爱好者

漫步云涧

闪电之谜



世心



　　“闪电”对我们来说是司空见惯的现象。夏天，每当天空乌云密布时，时常会出现雷声隆隆、电光闪闪。但是若问你：“雷电是怎么形成的？”回答就困难了。

　　18世纪以前，中国古代，认为雷电是雷公、电母制造出来的。西方人相信雷电是上帝发怒的结果，谁做坏事，上帝就用雷电来惩罚他。因此人们对雷电总怀有恐惧心理。一些不相信上帝的有识之士试图解释雷电的起因。最早探索出雷电奥秘的是美国科学家富兰克林。他用风筝实验，证明了天上的电与地上的电是相同的，“闪电就是电火花”。但时至今日，科学家们仍然还没有完全弄明白雷电到底是怎么产生的。翻腾不息的云朵为什么会带上大量的正、负电荷。要求得这个问题的答案，比在雷雨时放风筝，把雷电引到地面上来困难得多。

　　为了揭开闪电之谜，科学家把气球放到雷电云层中进行探测；派飞机围绕雷电云层飞行，甚至穿越雷电云层；用火箭触发闪电，等等。但是通过这些活动，对雷电的了解仍是微不足道。

　　科学家们发现：在多数情况下，雷电云层的厚度超过3千米才可能产生闪电。云层上部往往带正电，云层底部带负电。当正、负电荷间的电场足够强时，就击穿空气，产生闪电。一般而言，云层越厚，雷电越激烈。但是，到底是什么驱使正、负电荷分开的呢？不少科学家认为，降雨可能是个原因。他们解释说：下落的大雨滴或冰球携带负电荷，而像小尘粒和冰晶这样的带正电的微粒就在云层上部积累起来，结果就使云层上部带正电，下部带负电。产生了足以引起闪电的电场。但这种解释也难免牵强，因为闪电经常发生在降雨之前，而不全是降雨后或降雨过程中。另外，也无法解释在火山爆发时为何也会产生闪电现象。

　　于是，有人又提出另一种看法：认为雷电云的电荷是在云层外产生的，大气中的过量正电荷被吸附到上部云层里，它们又吸引云层上方大气中的负电荷，这些负电荷就附着在不断被气流裹挟而下的云粒上。正负电荷的分离正是这些上下运动的剧烈气流在起作用。

　　然而，这一假说也并未得到证实。看来要解释清楚这一自然现象，并不那么容易，还需要进一步了解雷电云的内部作用过程，方能令人满意地解释闪电现象。但即使这一问题解决了，也还有其他的问题有待去弄清楚。例如，为何闪电通常总是怪模怪样地呈“之”字形？（当然也有一种球状闪电，这也是一个“谜”）为什么闪电更多地发生在陆地上而不是水面上？为什么闪电总发生在夏天，而不是冬天呢？为什么雷电通常会击毁高处的物体，但又并非总是如此呢？

　　这一个一个的谜，等待着我们去揭开。

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避雷针与喷电火的龙头

张宪魁

1752年富兰克林做了著名的“风筝试验”之后，于1760年在美国费城制造了第一个避雷针。它是由铁钉、引入线和接地线组成的。铁针安在要保护的高大建筑物上，引入线用的是铁棍，接地线是一块金属板，深埋在地下潮湿的泥土中（图1－8）。当带电的云层接近高大建筑物时，由于静电感应，建筑物带上了与云层相反的电荷，但是，由于有尖端的避雷针，不等建筑物上聚集起大量的电荷，就在避雷针和云层之间发生小规模的放电了，放电通过避雷针和接地的导体这条最易于导电的通路，持续不断地进行，使得建筑物和云层之间不可能再发生强烈的放电，于是建筑物就可避免雷击的危险。 　　但是，关于避雷针的发明问题也有不同的说法。有一个外国修道士马卡连游历了中国之后，于1688年出版了一本介绍中国的书，对于当时中国的房屋建筑，他写道：“屋顶的四角都被雕饰成龙头的形状，仰着头，张着嘴，在这些怪物的舌头上有一根金属芯子，这金属芯子的末端一直通到地里，不会产生任何危硷”（图1－9），这实际上就是避雷针。因此，应该说中国人发明避雷针远比富兰克林要早得多。像上面讲的龙头，在我国古代建筑中几乎随处可见。据说在雷击时有人还看见龙口中喷出二、三尺长的电光呢！ 　　为了说明避雷针的工作原理，可以做如下的实验。 　　把A、B两个表面非常光滑的球形导体，放在绝缘支架上，让它们互相靠近。使A球带电，然后把B拿开，用验电器检查B，就知道这时B球没有带电，表明A球上的电荷没有跑到B球上去。现在给A球安上一个尖端（图1－10），再像上面说的那样做一次实验，就会知道，B球也带上了与A球同种的电荷，表明A球上的一部分电荷通过尖端跑到B球上去了。 　　上面的实验表明，电荷从导体的尖端很容易跑出来。电荷从导体的尖端跑出来的现象叫做尖端放电。 　　避雷针就是利用尖端放电现象制作的。当带电的云靠近建筑物上方时，地面受感应所产生的异种电荷就从避雷针的尖端逐渐放出来，跟云里的电荷逐渐中和，避免大规模的放电发生，也就是避免雷击发生。如果有时来不及跟云里的电逐渐中和，就在云和避雷针之间发生大规模的放电，雷电落在避雷针上，不致毁坏建筑物。 　　避雷针跟地连通得好不好，对于能不能避雷有很大的关系。如果连通得不好，不但不能避雷，还会招雷

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警惕静电的危害



张以明



　　摩擦是生产、生活中普遍存在的现象，伴随摩擦产生的静电也就跟生产、生活有着密切的联系。但遗憾的是在许多情况下，“静电”却是不受欢迎的“不速之客”。

　　在气候干燥的季节，如果你穿着旅游鞋在干净的地板上行走后，伸手抓金属门柄，常常会给你一件意想不到的“礼物”──一个小火花跳到手上，麻得你不自在；当你伸手跟别人接触，常常会给对方造成一次电击，令人不快。这都是静电的“恶作剧”。究其原因，原来是身体与空气及周围物体摩擦带了电，由于旅游鞋底绝缘性能好，人体带的电荷不能泄放入地，一旦接触导体，就会发生火花放电，造成“不愉快”的电击。

　　我们还知道，物体带电后能吸引轻小的纸屑、绒线，当然也能吸引更小的灰尘。日常用的塑料制品、穿的化纤衣物，都是摩擦起电的好材料，静电电荷的良好栖息地。这些物品在使用过程中难免发生摩擦而带电，使用不久它们的表面就会吸附一层灰尘，鲜艳漂亮的用具、衣物也就黯然失色。

　　当然，这些都是生活中的小事。可是要是发生在生产部门，问题就严重了。在化纤纺织工业中，用化纤丝如尼龙、晴纶、涤纶等织布时，由于化纤丝和金属部件发生摩擦而起电，带电的化纤丝相互排斥而松散，产生乱纱，给生产带来麻烦。橡皮胶是重要的工业原料，又是良好的绝缘体。在生产过程中，橡胶与金属摩擦、剥离及胶布撕裂时产生的静电电荷不易泄漏，积累过多就会发生火花电。由于橡胶制品在生产过程中，很多工序要用汽油和笨等易燃品，因此火花放电往往会引起火灾或爆炸。印刷车间，纸张由于跟机器和油墨摩擦而带电，常常吸在铅板或印刷机的滚筒上，影响连续印刷。摄影用的胶片，在生产过程中产生的静电电荷，常常发生放电现象，使胶片感光形成斑痕而报废。在煤矿矿井中，由于种种摩擦产生的静电电荷，一旦发生火花放电就会引起瓦斯爆炸，给人们的生命财产带来巨大的损失。在火药和炸药的制造、调合、移动及贮藏时，伴随摩擦、分离、混合等现象，会产生大量静电电荷，若不采取必要的措施，更容易造成爆炸、着火等静电灾害。

　　受静电危害最苦的是石油工业，石油产品及蒸汽，是危险的易燃易爆品。微弱的火花放电也会引起含有汽油或煤油蒸汽的空气燃烧爆炸。而石油生产和储运过程中，几乎处处有静电；石油在管道中流动，在管壁上产生静电；石油从管口流出，冲击金属容器会产生静电；石油液滴飞溅与空气摩擦，会产生静电；石油通过过滤网，会产生静电；石油在油罐车、油船中连续颠簸，运油车行驶时，轮胎和路面摩擦、甚至向油罐中灌入不同规格的新油等等，都会产生大量静电。若防电措施稍有疏忽，就有可能造成不可挽回的损失。

　　还有，飞机在空中飞行，在穿过云层时，与云中微小的冰或雪的晶体摩擦，使飞机带上大量的静电电荷，特别是飞机在雷雨天飞行时，雨滴溅落在飞机的表面也会使飞机带电。只要飞机上的静电放电电流超过5微安，无线电通信就要受到干扰。所以通常飞机上装有静电放电器，以便中和静电电荷。汽车上的收音机，在炎热干燥的季节里常因轮胎和路面摩擦产生静电干扰而无法接收。狂风卷起的沙砾，往往携带大量的静电电荷，中断无线电通信，有时还会引起铁路、航空等自动信号系统的信号失误，造成严重事故。

　　可见，生产和生活中的静电，一有时机就会兴风作浪，若不采取防止措施，就会给人们造成很大的危害。

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驯服静电，消除危害



张以明



　　静电虽然有那么多的危害，但人们只要掌握了科学知识，就能想出许多办法，驯服静电、消除危害。



　　不知同学们是否注意观察过，运输汽油的汽车，后面总是拉着一条长长的“尾巴”──一根拖地的铁链条（图1－11）。这就是一种消除静电危害的好方法，叫“接地”。把容易产生静电的部件用一个良导体与大地连接，可以将静电电荷通过接地导体迅速引入大地，防止电荷的积累，避免静电危害。这是一种既简单易行又安全可靠的方法，被广泛运用。如输送石油的输油管道每隔100～300米就要接地一次。大型油罐要有好几个很深的接地板。向铁路油罐车装卸油料的桥台、钢轨以及油轮码头，都要有专门的接地设施。生产或加工易燃液体和可燃气体的金属设备及输送管道都有可靠的接地设备。不过，接地这种方法有很大的局限性，只适用于消除导体上的静电，对绝缘体上的静电，则无能为力，因为绝缘体中的电荷不能移动，所以接地也无用的。

　　增加空气湿度是控制静电的另一有效办法。因为空气干燥容易积累静电电荷，所以静电危害大多发生在天气干燥的季节。如果增加空气湿度，工作人员身上、机器各部件、被加工物体表面均可吸附一层水份，使其电阻变小，电荷产生以后将迅速流入大地，如果工作房间空气湿度在70%以上，一般可以防止静电危害。

　　油类、纤维质、塑料与橡胶等，在加工、装运或使用期间往往产生静电，主要是由于这些物质的电阻率高，绝缘性能好，电荷不易泄漏。如果在这些绝缘物质中加入一些导电填料，做成导电橡胶、导电塑料、导电纤维等，可减小其电阻率。还可以为绝缘材料穿上“导电衣”，涂上一层金属粉末或导电漆，降低材料的表面电阻率，减小放电路径上的电阻，防止静电的产生。目前，导电纤维已被广泛用来作防电工作服、手套、地毯、包装袋和缝纫线等。

　　卤水点豆腐，一物降一物。为了防止塑料、化纤制品等绝缘体上聚积静电电荷，人们还研制了各种抗静电剂。汽油、柴油、煤油中加入少量的抗静电剂，就可以大大增强它们的导电性能。因此使用抗静电剂也是消除静电的一种“灵丹妙药”。

　　还有一种方法叫“以电治电”，这实在是一个聪明的主意。在胶片生产和印刷生产中，湿度不宜过大，就可以设置“静电消除器”。它的工作原理是造成大量的带电离子，它们的电性与由于摩擦带上的静电电性相反，把摩擦起电的电荷中和掉。

　　人们还注意到，同一物体分别和几种不同物质组成的物体摩擦后，会产生完全不同的带电效果：有时带正电，有时带负电；有时带电显著，有时则微不足道。根据这种性质，人们对一些经常发生摩擦而带电的零部件的材料进行适当选择，就能破坏静电产生的条件。

　　总之，随着静电防护研究的不断发展，静电危害一定能够克服。

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静电除尘

张以明

任何事物都有两重性，都能在一定的条件下向相反的方向转化。那么，给人们带来许多麻烦的静电能不能变害为利，为人类服务呢？当然能。并且它还在各方面大显身手。如静电除尘、静电分离、静电植绒、静电纺纱、静电喷漆、静电复印等等。下面请看一个静电除尘的实验。 　　找一个带透明有机玻璃盖的广口瓶，紧贴瓶内壁放一个用干净的铁皮卷成的圆筒。瓶盖中心插进一根下端焊有金属球的铜丝（如图1－12），铁皮和铜丝分别接静电起电机的正极和负极。准备好以后，点燃一张纸，把瓶子倒扣在纸上，等里面充满灰蒙蒙的烟雾以后，盖好瓶盖，把瓶放正。开动起电机，瓶内的浓烟立刻急剧地翻腾起来，一会工夫，烟消了，雾散了，玻璃瓶内又变得清彻透明了。再看看铁皮筒上，却挂了薄薄一层脏东西，烟尘像俘虏一样被静电驱赶到铁皮上了。 　　这就是一个小型的静电除尘器。它为什么有捕捉烟尘的本领呢？道理很简单，当起电机开动后，正负极之间就产生了很高的电压，因此铜丝和铁皮之间有很强的电场，而且距瓶中心的铜丝越近，电场越强。铜丝附近的空气中有少量的正负离子（空气虽是绝缘体，但仍残存少量的正负离子）。它们在强电场的作用下将发生激烈运动。并与其他的空气分子碰撞，使中性空气分子分离而产生大量的正负离子，正离子跑到接负极的铜丝上，得到电子，又变成空气分子；而负离子奔向接正极的铁筒的过程中，遇到烟尘，使烟尘带负电。所以烟尘被吸附到铁皮上，瓶内的空气就变得清洁透明了。 　　工厂使用的除尘器是把许多这样的圆筒并列起来，好像一块“蜂窝煤”，每个圆筒中心都绷紧一根与圆筒绝缘的金属丝。若将除尘器安装在烟囱下部，含有烟尘的气体从这“蜂窝”的一端进入，出去时就留下所带的烟尘，变成了清洁的气体。

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沙里“逃”金

张以明

人们常常用“沙里淘金”这句话来形容一些繁重而又很难见成果的工作，这是很有道理的。黄金价值很高，含金千万分之三的金沙或十万分之一的岩石都算是值得开采的金矿。过去的淘金者们，用简陋的工具。原始的方法，不知要花费多少时间，才能从小山一样的沙堆里淘出一点点金子来。 　　怎样用科学的办法提高淘金的效率呢？静电分离机就是一种好方法。 　　图1－13是一架静电分离机的示意图。图中接电源正极的是一道金属斜面；跟它相对的是一片片互相平行的金属片，很像个百叶窗，金属片略有弯曲。从整体来讲，“百叶窗”同下面的料面也是平行的。各金属片与斜面绝缘，接电源负极。 　　分离的时候，金沙从上面的漏斗落在斜面上，“坐滑梯”下滑的途中，金粒由于跟斜面接触而带正电，受斜面排斥，一颗颗金粒从“滑梯”上跳起来，被带负电的金属片吸引径直钻过百叶窗的窗缝跑出来。有些金粒可能挂在“窗叶”上弹下来，但它们并不泄气，一次又一次地钻，不钻出窗缝，决不停止努力。这不是沙里淘金，而是名副其实的沙里“逃金”。 　　沙子是绝缘体，不善于导电，因此外面上的正电荷不会集中到沙子上面，沙子只好一滑到底。这样就把金沙粒从沙子里分离出来了。

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格雷的发现

郭治

1729年的冬天，大雾笼罩着伦敦。一个衣着寒酸的人在街道上急急忙忙地走着。他好像在专心地想着什么，以致完全没有注意到周围的车马和行人。几个月来他一直都在试图让电荷通过一条长金属线，结果都没有成功。这使他十分烦恼。现在，他想出了一点眉目，决定马上到好朋友惠勒家里去完成这个实验。 　　斯蒂芬·格雷是一位无职业的穷人，仅凭一点退职金度日。他的朋友惠勒却是个有钱的人，出于对电学研究的共同爱好，两人结成莫逆之交。说实话，没有惠勒的资助，格雷的研究是难以进行的。 　　一见到惠勒，格雷就兴奋地说：“问题找到了，让我们再试一次吧？。”他急忙打开包袱取出一捆金属线，在客厅里把金属线从这一头拉到那一头，一会儿客厅里便布满了电线。他又在金属线的一端系上一只象牙球，这才对惠勒说：“惠勒，你把羽毛放在象牙球附近，注意观察。我去另一边。”格雷走到另一端，然后用力摩擦玻璃棒。当他把带电的玻璃棒与金属线接触时，守在另一端的惠勒立即大声喊道：“电传过来了，象牙球吸住羽毛啦！”科学史上格雷是第一个使电荷沿着270米长的导线传递的人。 　　两位朋友沉浸在成功的喜悦之中。惠勒说：“格雷你真了不起，你解释一下成功的奥妙在哪里？”格雷说：“以前所以不成功，毛病出在挂金属线的钩子上。因为假定金属是传电的物质，当我们用金属钩子挂电线的时候，电自然就顺着钩子跑到墙上去了。这些天我一直进行实验，寻找不传电的物质，结果我发现丝线就是一种很好的不传电的物质。”惠勒说：“真的！我怎么没有注意到今天的实验全部改用丝线悬挂金属线了。我的好朋友，这本身就是一个重要的发现。” 　　格雷继续自己的实验。结果他发现了一批不传电的物质，通过比较他还证明了金属是最好的导电物质。格雷是第一个把不善于导电的物质叫绝缘体，把善于导电的物质叫做导体的人。 　　他还把绝缘材料缠绕在金属导线上，制成了世界上第一根电线。 　　流动的电已被实验证实了，但是怎样才能保持电流持续而稳定呢？这就需要电源了。