在电的世界漫游_《在电的世界漫游》编写组编.pdf

ZAI DIAN DE SHIJIE MANYOU1前言电同人类已经成了不可分离的密友。但是我们是否想到电竟是无所不在，到处都有 自然界里到处有电，甚至在我们的身体里也有电?让我们从大气的低层说起。天上的闪电是大气层里有电的表现。地球上每天大约要发生十万次闪电，每秒钟大约 100 多次。我们看见闪电以后，过一会儿，就会听到震耳欲聋的雷声。雷就是闪电发出的声音。还有一种闪电是没有声音的。登山队员在高山上宿营，有时候会遇到一种怪事:他们的头发忽然像着了火似的发出闪光，并且带有“丝丝”的响声，这就是无声放电。在高纬度的地区，譬如在我国东北和西北，有时可以看到一种奇妙的现象:天空中散射出多种形状的美丽的光辉，就好像有人在放焰火。这也是一种无声放电。大气层的高层也有电。在离地面 50 1000 千米的高空，就有一条由带电粒子组成的辐射带，人们叫它电离层。电离层有一个奇怪的特性:除了某些特定波长(例如 1 厘米 15 米长)的电波可以穿过它以外，其余波长的电波碰到它，就像光碰到镜子一样被反射回去。我们能收到远地短波电台的广播，就是靠了电离层的反射。不用说，电离层里也有电。其实，不光是地球的周围，整个宇宙里也充满了电。浩渺无垠的宇宙，前言ZAI DIAN DE SHIJIE MANYOU2有着无数的星体。很多很多的星体都在辐射无线电波。利用无线电接收机，我们可以听到宇宙电波的嘈杂声。这说明，我们的地球处在电的包围之中。至于地球本身和地球上的一切，也是处处有电。地球上有各种各样的物质，一切物质都是由原子组成的，每种原子里都有着一定数目的电子。因此，从这个意义上来说，没有电就没有物质，也就不存在这个世界。我们的身体是物质，因此我们的身体里也有电。1875 年，美国人卡顿发现了脑电波的存在。科学家们通过进一步的研究，又证明了心脏有心电，肌肉里也有电在流动。在广大生物界里，也有许多奇妙的电现象。有些鱼，例如鲇鱼和电鳗，身体里贮存着大量的电，当它们遇到敌害的时候，可以一下子放射出来把对方打晕。据科学家们研究，地球上最早的有生命的生物是在电的作用下产生的。当地球上还没有生物的时候，包围着地球的大气里有着大量的甲烷、氨、氢和水，这些正是产生生命所必需的“原料”。在闪电的激发和紫外线的照射下，在大气中形成了一些有机物，它们逐渐地被雨水冲进海里，在那里积聚了起来。在闪电和阳光的连续作用下，终于产生了构成蛋白质所必需的多种氨基酸，而蛋白质是生物体的主要成分，也是生命活动的基础。它们不断地由低级向高级、由简单到复杂地发展着，最后终于诞生了生命。现在，科学家们已经在实验室里成功地模拟了这个过程。他们把甲烷、氨、氢和水放进一个容器里(这同 46 亿年前地球上的大气十分相近)，然后用高压电火花不断地模仿闪电去激发它们，最后终于得到了氨基酸。因此，地球上如果没有电，也就不会有生命。看来，把我们这个世界叫做电的世界是一点也不过分的。从现在开始就请大家在电的世界遨游吧。在电的世界漫游书书书ZAI DIAN DE SHIJIE MANYOU1ContentsContents目 录电的科学史摩擦起电机的发明1富兰克林提出电荷守恒5法拉第揭示电磁感应现象23麦克斯韦的贡献及电磁理论的建立28认 识 电电力的起源及初步应用39什么是电40电荷并不是电41电流、电压和电阻43电容46电和电磁波48电路54电功率56电家族中的两兄弟 直流电和交流电57袖珍发电机 电池59无处不在的电现象雷电现象63地球是个大电容66神奇的生物电69生活中的静电74电的应用控制雷电与利用雷电76用电波传递声音 电话78将电能转化成光能 电灯83导电材料85将电转化成热能 各种电热炊具93让静电为我们服务94电能转化成动能 电动机96电在医学上的应用100安全用电家庭节电小常识102触电的人是被电“吸”住了吗104人触电之后如何急救107试电笔的使用107保险丝为什么要用铅丝108漏电保护器109废旧电池的回收利用111国内使用电池现状112如何防止静电114檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨目录ZAI DIAN DE SHIJIE MANYOU2如何防止雷电伤人115雷击急救117我国的电力事业我国古代对电的认识120世界上最伟大发电工程 三峡工程122我国第一座水电站 新安江水电站128我国第一座核电站 秦山核电站130水流驯服成电流 我国的水电事业132我国第一座地热发电站 西藏羊八井地热发电136我国的火电事业138我国的光伏电产业145中国的风能发电148保定中国电谷151世界电力事业发展世界风力发电154燃料电池159太阳能发电162没有发电机的发电厂 磁流体发电165美国发现一种细菌能发电168核电 未来发展的主力168电学伟人和他们的故事为什么安培未能发现电磁感应174富有而博学的卡尔迪许179自学成才的法拉第180敢于揭穿雷电秘密的第一个人 富兰克林183永不言败的开尔文186幸运儿麦克韦斯190韦伯和高斯的一个实验195给世界带来光明的人 爱迪生196莫尔斯 电报198电话发明人 贝尔200檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨在电的世界漫游书书书ZAI DIAN DE SHIJIE MANYOU1电的科学史摩擦起电机的发明古希腊著名诗人荷马所著的史诗 奥德赛中记载有这样一个故事:福尼希亚商人将琥珀项链献给西拉女王。人们发现琥珀经摩擦会发出光，并吸引纸屑，感到十分神奇，就视琥珀为珍宝。这是关于静电的最早记载。人们正是从静电这一现象入手，开始将电作为一门科学来研究的。人工简单摩擦起电来使物体带电是很有局限性的，要对电现象做进一步研究，必须用有效的方法来获得较多的电荷及电流。大约在 1660 年，德国的一位酿酒商和工程师格里凯(1622 1686 年)发明了第一台能产生大量电荷的摩擦起电机。他用一个球状玻璃瓶盛满粉末状的硫磺，用火烧玻璃瓶直至硫磺全部熔化，等其冷下来硫磺成球状再将玻璃瓶打掉，在硫磺球上钻一孔并将其支在一根轴上，使琉磺球可以自由转动。格里凯在 1672 年描述了这架仪器的构造及其使用情况。起电时，他用一只手握住手柄摇，使硫磺球不停地转动，另一只手紧贴在硫磺球面上发生摩擦，结果使人体和硫磺球带上了电荷。格里凯还发现由摩擦而生的电可以通过一支金属杆传给其他物体;有时候，即使带电体没有与一个不带电物体接触，只要接近到足够近的程度，就可以使该物体带电，这就是我们现在称为的感应起电现象。1709 年，德国入豪克斯比(1688 1763年)制造了一台用抽去空气的玻璃球代替硫磺球的起电机，并在实验中发电的科学史ZAI DIAN DE SHIJIE MANYOU2摩擦起电机现，玻璃球由摩擦带电时，产生了类似磷光的现象。1750 年还有人用巨大的飞轮带动很大的玻璃柱转动，通过皮带与玻璃柱摩擦起电。这种基于摩擦起电原理，但已经不再是简单地摩擦一些材料令其起电，而是不断获得改进的摩擦起电机在实验中起了重要作用。一直到19 世纪，才由效率高得多的感应起电机所代替。格雷导电实验在英国卡尔特修道院领养老金过活的格雷(约 1675 1736 年)，也对电荷能不能传递进行了研究，他发现摩擦过的玻璃管上所带的电荷可以转移到木塞上，他用一根带有骨质小球的棍子插到带电的木塞中，骨质小球也带上了电，格雷还用一条长为 24 米的绳子将电荷传送过去。他还请一个小孩做了第一次人体带电的实验。这样，格雷用实验证实了不仅摩擦可以使物体带电，用其他方法(如传递)也可以使物体带电。他还发现导体和绝缘体的区别，并把物体分成 2 类:非电 性 物 体，但 却 可 以 传 电;电性物体，然而不能传电。另外，格雷认为带电体是否能被磁石吸引无关紧要，即“电的性质”物体与“磁的性质”物体不能相互发在电的世界漫游ZAI DIAN DE SHIJIE MANYOU3生作用。法国王家花园里的一位管家杜菲(1698 1739 年)对格雷的实验产生了极大兴趣，他也做了不少实验，取得了一些重要的发现。1733 年杜菲发现绝缘起来的金属也可以通过摩擦的办法起电，从而否定了吉尔伯特、格雷等人把物体分为“电的”和“非电的”论断，得出了所有物体都可以摩擦起电。杜菲勇敢地以自己的身体，重复进行了人体带电的实验。他让助手把自己用绝缘丝绳悬吊在天花板上，使自己身上带电，当助手靠近时杜菲突然感到电击引起针刺般的疼痛，同时伴有“噼噼啪啪”的声响，尽管杜菲吓了一大跳，晚上又重复了这个实验，发现放电过程中有火花闪现。杜菲在吉尔伯特制作的验电器的基础上，做了很好的改进，用金箔代替原来的金属细棒。杜菲用它对受激带电的玻璃棒及受激带电的琥珀分别进行检验，发现不同的材料经摩擦受激后所带的电可以是不同的，他在发表于一学报的文章中写道:“因此，由总的性质不同这一点可以认为存在着两种电性物质，一种诸如玻璃、晶体等透明固体，另一种诸如琥珀、树脂等沥青树脂类物质”。“互相排斥的物体具有相同的电性，互相吸引的物体具有不相同的电性。即现在常说的同性电相斥，异性电相吸的规律。不带电的物体可以从另一种带电物体获得电性，两者所带的电性是相同的”。带的电命名为“玻璃电”(Vitreos)(即正电)，将琥珀上所带的电命名为“树脂电”(Res-inous)(即负电)，并进而提出了二元电液理论。莱顿瓶的产生荷兰莱顿大学的物理学教授穆欣布罗克(1692 1761 年)和德国的克莱斯特(1700 1748 年)分别发现，物体好不容易获得的电往往在空气中逐渐消失。为了寻找一种保存电的方法，穆欣布罗克于 1746 年做了如下的实验:他将一枪管悬挂在空中，用起电机与枪管相连，另用一根铜线一端与枪管相连，另一端浸入盛有水的玻璃瓶中，当他的助手一只手握着玻璃瓶，另一只手不小心触到枪管上，助手猛然感到一次强烈的电击而喊了起来，穆欣布罗克替下助手亲自体验了给他带来极大恐怖感觉的实验。这使电的科学史ZAI DIAN DE SHIJIE MANYOU4人们认识到:人体作为导体参与放电过程的瞬间，电会使人感到一种可怕的突然震动和打击，这就是常说的电击(或叫电震)。穆欣布罗克还由此认识到，盛水的玻璃瓶通电后，可以将电保存起来。莱顿瓶穆欣布罗克以亲身的体验劝人不要做这种人体放电实验，却反而引起了更多的人对这类电现象的注意，以致在荷兰和德国公开进行电实验的表演，有许多人为了娱乐也做起电实验来。在这些人当中，有法国的电学家诺莱特，他开始把这种能蓄电的瓶子称为莱顿瓶(以穆欣布罗克所在大学名称命名)。克莱斯特于 1645 年也发现盛水的瓶中插入导体通电，瓶子能贮电。在德国就把有贮电性的瓶子叫克莱斯特瓶。当时所进行的电实验表演中，有用莱顿瓶作火花放电杀老鼠的表演，有用电火花点酒精和火药的表演。其中最为壮观的一次表演是诺莱特在巴黎一座大教堂前做的，诺莱特邀请了法王路易十五的皇室成员临场观看，他让 700 个修道士手拉手排成一行，形成长达近 900 英尺(注:1 英尺=0.3048 米)的队伍，然后让排头的修道士用手握住莱顿瓶，让排尾的修道士用手握莱顿瓶的引线(引线另一端插入瓶内水中)，准备就绪后，诺莱特令人用起电机通过引线向莱顿瓶送电。瞬间，700 名修道士因受电击同时跳了起来，在场观众无不为之目瞪在电的世界漫游ZAI DIAN DE SHIJIE MANYOU5莱顿瓶实验口呆，克莱特以事实表明了电的威力。1746 年英国物理学家考林森通过邮寄向美国费城的本杰明富兰克林(1706 1790 年)赠送了一只莱顿瓶，并介绍了使用方法。富兰克林对此极有兴题，用这只莱顿瓶进行了一系列实验，对电的本质及电现象的规律开始了一系列深入的研究，得到了许多重要成果。富兰克林提出电荷守恒富兰克林是 18 世纪美国伟大的电学家，是美国历史上著名的政治家、社会活动家。他 8 岁开始读书，10 岁到他哥哥的作坊做工。后来到纽约、费城谋生，他酷爱读书，所有的零用钱都花在买书上，为此他想当一名出版商。1724 年富兰克林远涉重洋(当时只有 18 岁)到了英国巴尔麦印刷厂当了 2 年印刷工人