物理爱好者

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用电器消耗电流吗？

张以明

图2－11是一个串联电路，有的同学认为电流通过第一个灯泡后。要被消耗掉一部分，然后再通过第二个灯泡，因此图2－11电路中的电流应该是I1＞I2＞I3，即电流从正极到负极是逐渐减小的。 　　这种想法对不对呢？可以用实验验证。如果把三个安培计A1、A2、A3同时分别串联在电路的不同位置上（如图2－12），就会发现，它们具有相同的示数，也就是说：I1＝I2＝I3。 　　当然，我们也可以对比水流来说明这个问题，水流推动水轮机的时候，每秒流入和流出水轮机的水量是相等的。水轮机只是消耗了水所具有的机械能，而不是消耗了水本身。跟水流类似，电流通过用电器时，仅消耗了电荷所具有的电能，而不是消耗电荷本身。所谓电流的大小是指单位时间内通过导体横截面积的电荷的多少，当电流通过用电器时，电荷没有被消耗，电荷的多少没有改变，所以电流的强度就不会减弱。因此串联电路中各处的电流都是相等的。灯泡安在电路中的任何位置上，亮度也是大致一样的（不考虑连接导线电阻）。

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电流与水流的类比



张宪魁



　　奔腾的长江水从高山流下最后汇入大海，水塔上的水通过水管流向千家万户。只要仔细观察就会发现：水总是从水位高的地方流向水位低的地方，所以人们常说：“水往低处流”。水在流动中可以冲击水轮机，使它带动发电机发电，或者推动水磨磨面，为人们造福。跟水流类似，正电荷从电源的正极通过电路流向电源的负极，使电路中的灯泡发亮、电炉丝发热。由于电流与水流相似，为了研究电流，人们就把对水流的一些认识用到电流上去，这种方法就叫类比。也就是说，类比就是通过比较两个事物的某些相似或相同之处，用熟悉的事物来认识不熟悉的事物。我们对水流是熟悉的，通过水流跟电流类比。可以帮助我们认识电流。例如，水流是水的流动，电流是电荷的流动；水从水位高的地方流向水位低的地方，电流从电位高的地方流向电位低的地方；水位高低之差叫水位差或水压，电位高低之差叫电位差或电压；水压是水定向流动的原因，电压是使自由电荷发生定向移动的原因，因此电压就相当于水位差或水压。这样，在认识水流的基础上去认识电流，就比较容易理解了。

　　类比是进行科学研究的重要方法。

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闪电为什么是弯弯曲曲的　







　　大家都知道，带异性电的两块云接近时放出闪电，闪道中因高温使空气体积迅速膨胀、水滴汽化而发出强烈的爆炸声，这就是我们常说的“闪电雷鸣”。闪电为什么总是弯弯曲曲的呢？美国国家气象局的内泽特·赖德尔认为，每当暴风雨来临，雨点即能获得额外的电子。电子是带负电的，这些电子会追寻地面上的正电荷。额外的电子流出云层后，要碰撞别的电子，使别的电子也变成游离电子，因而产生了传导性轨迹。传导的轨迹会在空气中散布着的不规则形状的带电离子群中间跳跃着迂回延伸，而一般不会是直线。所以，闪电的轨迹总是蜿蜒曲折的。

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半导体







导体的导电能力强,绝缘体的导电能力差.还有一些元素和化合物,例如纯净的锗、硅、砷化镓等，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间,而且电阻不随温度的增加而升高，反随温度的增加而下降，这种材料叫做半导体.


半导体材料的导电性能受外界条件的影响很大.除了温度外，用光照射半导体、在半导体中掺入微量的其他物质,都可能使半导体的导电性能发生显著的变化.半导体的这一特性是导体和绝缘体所没有的,在现代技术中有重要的应用.


有的半导体,在温度升高时电阻减小得非常迅速，利用这种材料可以制成体积很小的热敏电阻,它能将温度变化转化为电信号，测量这种电信号,就可以知道温度变化的情况.这种测量方法反应快,精度高.


有的半导体,在光照下电阻大大减小.利用这种半导体材料可以做成体积很小的光敏电阻.光敏电阻可以起到开关的作用,在需要对光照有灵敏反应的自动控制设备中有广泛应用.


在纯净的半导体中掺入微量的杂质,会使半导体的导电性能大大增强.利用半导体的这一特性,再加上特殊的制作工艺,人们制成了晶体二极管和晶体三极管(图1).将晶体管、电阻、电容等电子元件及相应的连线同时制作在一块面积很小的半导体晶片上,使之成为具有一定功能的电路,这就是集成电路.在超大规模集成电路中,在面积比小拇指的指甲还小的一块半导体晶片上可以集成上百万个电子元件.集成电路的制成,开辟了微电子技术的时代.


此外,人们还制成了半导体激光器、半导体太阳能电池等.半导体在现代科学技术中发挥着重要的作用.

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静电的应用







　　目前静电已经有多种应用，如静电除尘、静电喷涂、静电植绒、静电复印等．

以煤作燃料的工厂、电站，每天排出的烟气带走大量的煤粉，不仅浪费燃料，而且严重地污染环境．利用静电除尘可以消除烟气中的煤粉．除尘器由金属管A和悬在管中的金属丝B组成，A接到高压电源的正极，B接到高压电源的负极，它们之间有很强的电场，而且距B越近，场强越大．B附近的空气分子被强电场电离，成为电子和正离子．正离子被吸到B上，得到电子，又成为分子．电子在向着正极A运动的过程中，遇到烟气中的煤粉，使煤粉带负电，吸附到正极A上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中．静电除尘用于粉尘较多的各种场所，除去有害的微粒，或者回收物资，如回收水泥粉尘．


设法使油漆微粒带电，油漆微粒在电场力的作用下向着作为电极的工件运动，并沉积在工件的表面，完成喷漆的工作．这就是静电喷涂．使绒毛带电，可以使绒毛植在涂有粘着剂的纺织物上，形成像刺绣似的纺织品．这就是静电植绒．


静电复印可以迅速、方便地把图书、资料、文件复印下来．静电复印机的中心部件是一个可以旋转的接地的铝质圆柱体，表面镀一层半导体硒，叫做硒鼓．半导体硒有特殊的光电性质：没有光照射时是很好的绝缘体，能保持电荷；受到光的照射立即变成导体，将所带的电荷导走．


复印每一页材料都要经过充电、曝光、显影、转印等几个步骤．这几个步骤是在硒鼓转动一周的过程中依次完成的．充电:由电源使硒鼓表面带正电荷．曝光:利用光学系统将原稿上的字迹的像成在硒鼓上．硒鼓上字迹的像，是没有光照射的地方，保持着正电荷．其他地方受到了光线的照射，正电荷被导走．这样，在硒鼓上留下了字迹的“静电潜像”．这个像我们看不到，所以称为潜像．显影:带负电的墨粉被带正电的“静电潜像”吸引，并吸附在“静电潜像”上，显出墨粉组成的字迹．转印:带正电的转印电极使输纸机构送来的白纸带正电．带正电的白纸与硒鼓表面墨粉组成的字迹接触，将带负电的墨粉吸到白纸上．


此后，吸附了墨粉的纸送入定影区，墨粉在高温下熔化，浸入纸中，形成牢固的字迹．硒鼓则经过清除表面残留的墨粉和电荷，准备复印下一页材料．

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放电现象







带电物体失去电荷的现象叫做放电.常见的放电现象有以下几种:


1.接地放电


地球是良好的导体,由于它特别大,所以能够接受大量电荷而不明显地改变地球的电势，这就如同从海洋中抽水或向海洋中放水,并不能明显改变海平面的高度一样.如果用导线将带电导体与地球相连,电荷将从带电体流向地球,直到导体带电特别少,可以认为它不再带电。(如果导体带正电，实际上是自由电子从大地流向导体。这等效于正电荷从导体流向大地。)


生产中和生活实际中往往要避免电荷的积累,这时接地是一项有效措施.


2.尖端放电


通常情况下空气是不导电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负电荷受到方向相反的强电场力，有可能被“撕”开，这个现象叫做空气的电离。由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电了。空气电离后产生的负电荷就是电子，失去电子的原子带正电，叫做正离子。


由于同种电荷相互排斥,导体上的静电荷总是分布在表面上，而且一般说来分布是不均匀的，导体尖端的电荷特别密集,所以尖端附近空气中的电场特别强,使得空气中残存的少量离子加速运动。这些高速运动的离子撞击空气分子，使更多的分子电离。这时空气成为导体，于是产生了尖端放电现象.


尖端放电在技术上有重要意义.高压输电导线和高压设备的金属元件，表面要很光滑,为的是避免因尖端放电而损失电能或造成事故。


3.火花放电


当高压带电体与导体靠得很近时,强大的电场会使它们之间的空气瞬间电离，电荷通过电离的空气形成电流.由于电流特别大,产生大量的热,使空气发声发光，产生电火花.这种放电现象叫火花放电.


火花放电在生活中常会遇到.干燥的冬天,身穿毛衣和化纤衣服,长时间走路之后,由于摩擦，身体上会积累静电荷.这时如果手指靠近金属物品,你会感到手上有针刺般的疼痛感。这就是火花放电引起的.如果事先拿一把钥匙,让钥匙的尖端靠近其他金属体,就会避免疼痛.在光线较暗的地方试一试，在钥匙尖端靠近金属体的时候,不但会听到响声,还会看到火花.


在一些工厂或实验室里,存在大量易燃气体,工作人员要穿一种特制的鞋,这种鞋的导电性能很好，能够将电荷导入大地,避免电荷在人体上的积累,以免产生火花放电,引起火灾.


4.闪电


带电云层之间或带电云层和地面之间发生强烈放电时,产生耀眼的闪光和巨响,这就是闪电.闪电的放电电流可以高达几十万安培,会使建筑物遭受严重损坏.这就是雷击。


为了避免雷击,人们设计了避雷针.避雷针是针状金属物,装在建筑物的顶端,用粗导线与埋在地下的金属板相连,以保持与大地的良好接触.当带电云层接近时，大地中的异种电荷被吸引到避雷针的尖端，并由于尖端放电而释放到空气中，与云层中的电荷中和，达到避雷的目的.


闪电也有积极的意义.闪电产生的高温使空气中的氮和氧化合,随雨水降至地面形成硝酸盐.这些硝酸盐是天然的氮肥.闪电过程中产生的臭氧，能保护地球上的生命免受过量紫外线伤害。原始生命起源于有机物分子,有一种生命起源学说把最初有机物分子的产生也归功于闪电.

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利用发光二极管种植蔬菜







日本一家大型化学公司开发出一种利用发光二极管种植蔬菜的新技术。试验证实：用发光二极管种出的蔬菜比露天种出的蔬菜营养更丰富，口味也更好。


据介绍，发光二极管的外壳以塑料制成，长约1厘米，直径为0.6厘米～0.7厘米，外形如同中药胶囊，由于里面装有以半导体化合物为原料的发光体，故通电后即会像灯泡一样发光。以往的“蔬菜工厂”是为阳光不足地区也能种菜设立的，一般用日光灯代替太阳。而发光二极管显然比日光灯甚至阳光更具优势，因为可发出红、蓝、绿、白等不同颜色的光，种植者只要对不同的色光作适当调整以便更高效地生产蔬菜。如，红光可使作物光合作用更为活跃，蓝光可使萝卜等作物根部变大。利用对不同色光照射时间的调整，不仅可缩短作物的生长期，而且可使作物个头更大，从而大大提高了产量。此外，蔬菜中糖份和维生素的含量也会根据光线颜色的不同和照射时间的长短出现变化。如：生菜只要多照红光，光合作用就会活跃起来，所含糖份随之增加，味道也会变得较甜；而大多数蔬菜照射较长时间红光，所含维生素都会增加。掌握了这一规律，种植者便不难对所种蔬菜的营养成分和口味作调整。


目前，发光二极管价格虽仍偏高，但耗电量很低，寿命也长（约在5万小时以上），故汽车刹车灯、红绿交通灯等也纷纷开始改用发光二极管。专家们预测，随着发光二极管制作成本的逐步降低，它必将在更多领域发挥积极作用。