2023年第一章三生活中静电现象.doc

第一章三、生活中静电现象 　第一章 三、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。在枯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。 　图 　图1.3-1起电机导电杆间的火花放电 　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，防止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 　图1.3-2汽车拖的铁链能把电荷导入大地 　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〕观象，并且在1753年创造了避雷针。尖端放电跟电荷在导体外表的分布规律有关。 　演示 　观察电荷在导体上的分布 　如图1.3-3所示，把导体安放在绝缘支架上，并使导体带电。然后用带绝缘柄的验电球P接触它的A点，再与验电器接触，检验A点的带电情况。 　图 　图1.3-3检验A、B、C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。 　如果电荷在带电导体外表分布是均匀的，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？ 　实验说明，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。这说明，电荷在导体外表的分布是不均匀的：突出的位置，电荷比拟密集；平坦的位置，电荷比拟稀疏。 　导体锋利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，外表要很光滑，就是为防止因尖端放电而造成电能损失或造成事故。 　图 　图1.3-4高压电气设备的放电现象 　避雷针那么利用了尖端放电的原理。 　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装置。如以下图，金属板M接高压电源的正极，金属板N接负极。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，当电压到达一定数值时，可看到放电现象。 　图 　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。当电荷积累到一定程度时。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。 　图 　图1.3-6避雷针的原理 　雷电对人类生活也会产生益处。闪电产生的高温促使空气中的氧和氮化合成氮氧化物，随雨水降至地面，成为天然的氮肥。闪电产生的臭氧留在大气层中，能保护地球上的生物免遭紫外线的伤害。 　STS 　避雷针的创造与古建筑保护 　富兰克林不仅发现了雷电现象的本质，还最早认识了尖端放电的重要性，并由此提出了避雷针的设想、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、船舶免遭雷击吗？它不是可以在云走到足够近、发生雷击之前，从云里悄悄地取走电火，从而使我们防止最突然和可怕的伤害而得到安全吗？〞富兰克林在他自己印刷发行的1753年的历书中详细介绍了避雷针的制作安装方法。到1782年富兰克林居住的费城已有约400根避雷针在使用。避雷针是电学研究给人类带来的第一项有实用价值的创造。 　有趣的是，由于富兰克林是美国独立宣言的起草人之一，愚蠢而狂妄的英王乔治三世1777年曾下令将白金汉宫的避雷针改为圆头，并要求英国皇家学会会长普林格尔〔J．Pringle〕在学会中批准圆头避雷针方案。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：“国王将尖头避雷针改为钝头避雷针，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；科学终究会战胜愚昧和偏见，英国也只能安装尖头避雷针。 　避雷针确实保护了许多高大建筑免遭雷害，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，有许多建于避雷针创造之前的古建筑，它们如何避雷呢？现在，保护世界文化遗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，在开阔的平原上，这座高大的建筑是怎样防止雷击的？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。 　图 　图1.3-7应县木塔 　湖北的武当山古建筑群是世界文化遗产之一，在武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，每逢电闪雷鸣的时候，火球会在金殿周围滚动，但霹雳却击不毁金殿；雨过天晴后，大殿荣耀夺目，像被洗过一样，这就是“雷火炼殿〞奇观。后来，因金殿周围的一些建筑物常遭雷击，金殿也安装了避雷设施。此后，雷火炼殿奇观消失，没有水火的洗炼，金殿的色泽也黯淡了许多。 　图 　图1.3-8武当山天柱峰上的金殿 　一位葡萄牙传教士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，其腹内穿过金属条，金属条一端插入地里。〞这样，闪电发生时，就不致伤害任何人。这本书写在欧洲创造避雷针以前，不可能是作者的想像或编造。遗憾的是，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，金属条被破坏了或者失窃了。 　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，也是历史赋予的责任。 　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 　图1.3-10燃煤时会产生大量煤灰，污染大气。在烟囱底部安装静电除尘器就可以把煤灰除掉。 　图 　图1.3-11当油漆从喷枪中喷出时，喷嘴使油漆微粒带正电。它们相互排斥，扩散开来形成一大团漆云，被吸附在带负电的物体外表。这种静电喷漆的方法省漆而均匀。 　图 　图1.3-12复印机是利用静电的吸附作用工作的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局部由于受到方向相反的强大的静电力而别离〔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，而且便于回收其中的有用物质。 　图 　图1.3-9静电除尘装置 　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爆炸。说一说，静电还有什么危害，或者给我们带来哪些不便？ 　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防止类似的事故。 　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做成了针尖状。为什么放电电极做成针尖状而不是圆头状？ 　图 　图1.3-13电子点火器的针状电极 　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．在气候枯燥的季节，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？