第13章 电学宇宙(1)

　　电磁学是研究电、极和电磁的相互作用现象，及其规律和应用的物理学分支学科。根据近代物理学的观点，磁的现象是由运动电荷所产生的，因而在电学的范围内必然不同程度地包含磁学的内容。

　　电流的形成：电荷的定向移动形成电流（任何电荷的定向移动都会形成电流）。电流的方向：从电源正极流向负极。

　　电压（U）：电压是使电路中形成电流的原因，电源是提供电压的装置。国际单位：伏特（V）；常用：千伏（KV），毫伏（mV）。1千伏=103伏=106毫伏。测量电压的仪表是：电压表。使用规则：电压表要并联在电路中；电流要从“+”接线柱入，从“-”接线柱出；被测电压不要超过电压表的量程。

　　电阻（R）：表示导体对电流的阻碍作用（导体如果对电流的阻碍作用越大，那么电阻就越大，而通过导体的电流就越小）。国际单位：欧姆（Ω）；常用：兆欧（MΩ），千欧（KΩ）；1兆欧=103千欧；1千欧=103欧。决定电阻大小的因素：材料、长度、横截面积和温度（R与它的U和I无关）。

　　1.可怕的静电

　　京生是北京的一个大货车司机。有一天，他接到一桩生意，需要他去新疆运木头来北京，他十分乐意地接了这笔生意，心想：跑完新疆一趟，他就带儿子去欢乐谷玩玩，好久没有陪自己的孩子了。

　　在通往新疆的高速公路上，京生驾着自己的货车在急驶，突然间一声巨响，从后面的槽厢里喷出一个火球，随即点燃了油箱。京生刚刚跳出驾驶室的一瞬间，一声巨响，货车报废了，京生也受了重伤。

　　家人闻讯赶来，都十分悲痛，货车对于他们全家而言是维持生活的工具，再说京生也受了重伤。警察赶来处理交通事故，京生的妻子十分不解地问交警：“我们家京生没有超速，也没有违章行驶，为什么会出现这种情况？”交警说：“造成这一不幸的事故原因，要从一塑料桶汽油说起，因为爆炸是从那里开始的。为了长途行车，司机用塑料桶装了一桶汽油放在车后面。行驶过程中，桶里的汽油在不断地晃动中和塑料桶壁摩擦、撞击，由于汽油和塑料桶都是电的不良导体，摩擦产生的电荷不断地积累，而且越积越多。塑料桶壁和汽油之间开始放电，产生火花，就像打了一个小的闪电。就是这个小小的火花，点燃了汽油桶上面的汽油蒸气与空气的混合气体，引起了爆炸。”

　　妻子这时也只能黯然泪下，终于明白了静电的威力。

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　　静电火花不仅会引起汽油的爆炸，砂糖、面粉、茶叶末、奶粉、咖啡粉、煤粉、铝粉、木粉等，如果在空气中悬浮的数量达到一定的程度，也都会因为静电火花或其他火花而产生爆炸。在工业史上，面粉厂、铝制品厂因为空中的粉尘太多发生爆炸的事常有发生。

　　静电是在摩擦中产生的，在干燥的冬天用梳子梳头，常常可以听到噼噼啪啪的声音，这是梳子和头发之间在放电；我们从地毯上走过去摸铁门柄，常会在手指和门柄之间打一个火花。

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　　静电现象在我们的生活中也有许多可以应用的地方，例如静电除尘。还有一种点煤气灶用的“枪”，用手一扣扳机，前端“枪筒”上就打一个火花，点燃了煤气灶。煤气枪里有一种特殊的物质叫压电体，扣扳机的时候对它产生了压力，于是在这个物质的两个表面上就会产生几万伏的高电压，产生火花放电，这也是静电的一种应用。

　　2.天然电池

　　在抗日战争时期，有一次，游击队得到一个秘密情报：小鬼子的车队下午通过村前的大桥。

　　队长立马决定，在鬼子到达时炸死鬼子。游击队的队员听完之后士气高昂，大家表示一定要重创侵略者。他们迅速把炸药埋在桥下，将引爆用的电线从炸药包一直拉到远处的橘林，并接上电池和开关。只要一声令下，便合上开关，将电流送到炸药包，在那里会跳出火花，引爆炸药。

　　为了这次战争的胜利，他们一遍遍检查每一个接口和线路。当检查到电池时，发现因天气太潮而漏电，电压不够了。空气顿时紧张起来。

　　前功尽弃吗？不！几个战士主动请战：“我去桥下埋伏，到时间点燃炸药包。”

　　“这样太危险！”队长说，“不到万不得已，我们不能这样做。想想还有什么办法……”

　　队长的目光无意中落在眼前的橘林上，黄澄澄的橘子挂满树枝。这是老百姓的果实，绝不能让鬼子们掠夺。他想着想着，忽然眼前一亮，大声说：“有了！大家摘12个大橘子，要酸的，我们用橘子引爆！”

　　“用橘子引爆吗？”

　　“对。橘子可以做成电池，现在我们只有这个办法了。还得预备几块铜片、几块铁片，要打磨得亮亮的。”

　　大家很快准备就绪。一个人负责一个橘子，队长负责橘子之间的联结。

　　鬼子车队一到，随着队长的一声高喊，大家同时把自己手里的铜片和铁片平行地插到橘子里去。只听“轰”的一声巨响，引爆成功了，鬼子车队损失惨重，游击队又获得了胜利。

　　胜利回村的路上，许多战士都涌到队长的面前要问个究竟。

　　队长笑着说：“电池就是化学电源，它是利用化学变化而产生电流的。只要把不同的金属，例如铜片和铁片，放在酸溶液，或碱溶液，或盐溶液中，这就是一个电池，可以向外供应电流。但它过一会儿，电流就要减弱，这是因为在化学变化中金属片上会产生一些气泡，从而阻挡了电流的通过。如果能及时把气泡除去，便又可以发电了。”队长为了保险，安排了12只橘子，分为3组，每组4只，4只串联，3组再并联。

　　你可以做个水果电池，看能否把小电珠点亮。

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　　磁感强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积叫做穿过这个面的磁通量。定义式为：φ=BS。

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　　水果电池怎样制作呢？

　　找一些铜片和铝片，再剪一些比铜片和铝片大一些的纸片在醋里浸一下。在一个铝片的上面放一个纸片，在纸片上放个铜片，一个简易的化学电池就做好了，铜片是正极，铝片是负极，浸湿的纸片就是电解质。不过，这样的一个“电池”产生的电实在太微弱了，只能用灵敏的电表测到。如果把许多这样的“小电池”垒起来，让一个“电池”的铝片放在另一个“电池”的铜片上（这时铝片和铜片之间不要放纸片），这时产生的电流就强了一些，几个“电池”垒起来就能点亮一个发光二极管（一种通过很小电流就能发光的半导体元件）。如果很多这样的电池垒起来，电流就会很强了。也可以把铜片和铝片插进一些蔬菜水果里，如插在西红柿、柠檬里，这样就可以做成一个有趣的“水果电池”。

　　3.不安全用电的后果

　　那一年，小柳研究生毕业，来到研究所工作。他兴高采烈地搬进了宿舍，到了该吃午饭的时候了，这天煤气罐没有送来，他急中生智，拿出刚买的电磁炉，这个电磁炉有3000瓦，插上插销，还好，没有烧断保险丝，饭一会儿就做好了。

　　他知道这个电炉功率太大，在原来住的楼上根本不能用，一用就烧断保险丝，整个单元几十户人家都受牵连。他知道居民楼不该用电磁炉，因为楼内的电线不够粗。转念一想，这是新楼，马马虎虎吧……

　　已是万家灯火的时候了，他又开始做晚饭了，可惜这次没有中午幸运，电炉刚插上，“啪”的一声，保险丝断了。楼道里一片漆黑，接着是一片喧嚷：“谁家用电炉子了？”

　　“晚上各家都用电，电线负荷本来就重，再用电炉哪能受得了？”

　　小柳非常不好意思，赶忙拔下插销，不敢再用了，只好下楼买了点零食随便吃了。当他回家时，不知谁已经换了保险丝又来电了。

　　晚饭没做成，小柳一直不甘心。他想：3千瓦太大，我改小一点不就行了？小电炉子照样发热做饭，只是时间长一点罢了。对！说干就干，他把电炉丝从耐火材料的底座里轻轻取出来，把全部电炉丝伸开摆成个“之”字。每一段大约是总长度的1\/3，剪掉2\/3多一点，剩下不到1\/3，不就变成小电炉了？不到1千瓦，也许是900瓦呢！他想好，动手剪开，又把电路连好，小心翼翼地把这不到1\/3长的电炉丝安到耐火底座的沟槽里。他不敢马虎，又仔细检查一遍，电路没错，心里踏实了。“这下应该没有问题了！”他放心地把插销插到电源插座里……

　　结果怎样呢？竟然引起了一场火灾，好端端的新楼烧得一塌糊涂，小柳无法逃脱应得的惩罚。

　　小柳研究生毕业，居然犯下这种幼稚错误，他以为电炉丝截短了，它的电功率会随着电阻的变小而变小，事实恰恰相反。我国家用电源都是220伏特电压的照明电源。在电压不变的条件下，电炉丝的电阻越小，通过它的电流强度就越大；而电功率是电流强度与电压的乘积。所以在电压不变时，电功率与电阻正好成反比。小柳将电阻减到1\/3以下时，电炉子的电功率将为3倍以上，也就是9千瓦以上！更能把保险丝烧断了。

　　偏不凑巧，刚才烧断保险丝后，大家都找不到保险丝，最后有人提议暂时换根铜丝应急吧。结果用了一根粗铜丝代替保险丝接上去了。这粗铜丝即便是非常强的电流也不容易把它烧断。小柳接通电炉后，强电流通过墙上的电线，很快把电线的绝缘外皮烧化了，把电线烧红了，电线周围的木、纸、布等易燃物被引着了，顿时火光四起，越烧越旺，损失惨重。

　　如果当时不是换粗铜丝而是换保险丝，火灾肯定可以避免，但也无法避免大楼再次断电。

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　　当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，并且升高的电流有可能损坏电路中的某些重要器件或贵重器件，也有可能烧毁电路甚至造成火灾。若电路中正确地安置了保险丝，那么保险丝就会在电流异常升高到一定的高度和一定的时候，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。最早的保险丝于100多年前由爱迪生发明，由于当时的工业技术不发达，白炽灯很贵重，所以最初是将它用来保护价格昂贵的白炽灯的。保险丝保护电子设备不受过电流的伤害，也可避免电子设备因内部故障所引起的严重伤害。因此，每个保险丝上皆有额定规格，当电流超过额定规格时保险丝将会熔断。当介于常规不熔断电流与相关标准规定的额定分断能力（的电流）之间的电流作用于保险丝时，保险丝应能满意地动作，而且不会危及周围环境。保险丝被安置的电路的预期故障电流必须小于标准规定的额定分断能力电流，否则当故障发生保险丝熔断时会出现持续飞弧、引燃、保险丝烧毁、连同接触件一起熔融、保险丝标记无法辨认等现象。当然，劣质保险丝的分断能力达不到标准规定的要求，使用时同样会发生危害。

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　　常用的滑动变阻器就是依靠改变导线的长度达到改变阻值的目的；它仅适用于温度一定、粗细均匀的金属导体或浓度均匀的电解液。

　　4.可爱的出气砖

　　余文是个铁杆球迷，在世界杯期间，每场都不落下，随着比赛的进行，他又喊又跳，又急又笑。这个足球迷，迷得有些不正常了。

　　“看，有了齐达内，看着就舒服，我早说过法国队一定能打赢……好小伙子，不愧获那么多大奖……进了！太棒了……法国队的守门员真有能耐？哈……”

　　可是没过多久，形势急转直下，意大利队大展雄风，连进三球！

　　“臭！怎么不把球挡住……哎，守门员吃错药了？你干什么吃的……回家抱孩子去吧！踢的什么球……”话虽这么说，他还是希望下半场法国队能反败为胜。

　　下半场开始了，场上比分3∶1，意大利队领先。余文急得坐立不安，抓耳挠腮。法国队一个队员带球连过3人，动作太漂亮太熟练了，转眼已到离对方球门5米的地方。时机来到了，他提脚射门，球直冲大门飞去，眼看要成功，可惜高了一点点，球紧挨着门梁飞出界外，太可惜了，场内一片惋惜声。

　　余文这下可受不了了，一边骂着一边顺手摸起身旁小桌上的东西就朝电视机砸去。刚一出手，他后悔了，这部彩电是节衣缩食才买来了，砸坏了怎么向妻子交代？电视机会不会爆炸？脑子里迅速闪过许多念头。说时迟，那时快，砸过去的东西正好碰在电视机的屏幕上！余文吓得看都不敢看，脑海里出现一个念头：等着挨骂吧。

　　奇怪！怎么没听到砸碎的声音？怎么屋里变得一点动静也没有了？他睁眼一看，电视机没坏，地下竟是一块砖头！是做梦吧？不是。他仔细看看，这是怎么回事啊，用砖头砸电视机没有砸坏吗？这时，他也困得厉害，没有多想就爬上床睡觉了。

　　第二天，妻子冲他直笑，余文忍不住问她，她说：“夜里看球赛出气了吧？以后可以使劲砸电视机！”

　　“……那砖头是怎么回事？”

　　“这是电视机专用出气砖！”

　　余文想起那砖从外形上看真像一块砖头，但实际上比砖轻而软。他又问：“为什么一砸，电视机就关了呢？”

　　“砖里面有一些电子元件，当它挤压电视机时，能发出信号让电视关机。”

　　呵呵，以后可以使劲去砸了，这样想着，他走到妻子身边，问道：“这个电视机专用出气砖是怎么回事啊？”

　　妻子笑着说：“‘出气砖’里有压敏元件，它一受到压力，电阻值就发生变化，从而影响电路中的电流，这样就把压力变化的信号用电流的变化传送出去。另外还要有将微弱电流信号进行放大的电路，还要有使电视机切断电源的发射电路，当然还要有自用的电源——纽扣电池。”

　　“类似于你这样的球迷用‘出气砖’砸到电视机上以后，由于看不到图像，一般会从狂热状态中清醒过来。对于那些容易过分激动的球迷来说，‘出气砖’称得上是个好帮手。”妻子说。

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　　电阻和电阻率的区别：电阻反映导体对电流阻碍作用大小的性质，电阻大的导体对电流的阻碍作用大；电阻率反映制作导体的材料导电性能好坏的性质，电阻率小的材料导电性能好。也就是说，导体的电阻大，导体材料的导电性能不一定；导体的电阻率小，电阻不一定小，即电阻率小的导体对电流的阻碍作用不一定小。

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　　常用电阻器：电位器、实心碳质电阻器、绕线电阻器、薄膜电阻器、金属玻璃铀电阻器、贴片电阻SMT、敏感电阻、合成碳膜电位器。

　　5.微波炉诞生

　　美国雷西恩公司有个做雷达起振的实验室，这里聚集了许多有名的工程师，有位名叫珀西·斯潘塞的工程师对雷达起振的实验非常投入。一天，他的同事看到他胸前的衣兜里渗出暗黑色的液体，就慌忙告诉他：“你怎么受伤了？上衣袋那儿有血流出。”

　　珀西用手一摸，湿乎乎的，脸色立刻变得煞白。可是他又突然明白了，是上衣袋里的巧克力糖融化了，真是一场虚惊。

　　珀西走进更衣室换了件干净的衬衣又开始了工作，他边换衣服时边思考：巧克力糖是固体的，怎么会融化呢，再说温度很低，为什么会有这种情况出现？

　　珀西正在研究波长为25厘米雷达电波在空间分布的状况，此时雷达天线正在发射着强大的电波。

　　刚才发生的事情引起他极大的好奇心，忽然灵感产生了，他明白了，肯定是雷达波在作怪。世界上的物质都是由带电粒子组成的，电磁波是变化的电场和磁场组成的。电磁场的方向不断地变来变去，巧克力内部的分子来回振荡，分子彼此激烈地碰撞产生热量，温度升高，巧克力便融化了。