书城教材教辅课本上读不到的物理故事
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第24章 有趣的电磁学(4)

“会跑”的电磁理论

1820年的一天,法国科学院举行了一次讲座,内容是由物理学家阿拉果介绍奥斯特关于电流能够产生磁场这一新发现。阿拉果的演示实验让大家目睹了电流作用于磁针的现象。在场的科学家目睹这一实验后,心理引起了强烈的震动。这些科学家长期信奉库仑关于电、磁没有关系的理论,但是在事实面前却不得不低下了头。安培就是其中的一员。

不过,安培很快接受了新的理论,并提出“既然电流能像磁石一样吸引小磁针,那么可以推断,导线中的电流也能够相互作用。”这一独特的见解马上引起了阿拉果和他的搭档毕奥的兴趣。他俩立即对安培说:“会议结束之后,咱们在科学院大门口不见不散。”

会议一结束,安培就准备去大门口等着两位科学家,突然他的脑海中出现了两条平行导线中电流的作用问题。他边走边想,陷入了思考之中。他想得正入神时,一抬头,隐隐约约看见前面有一块黑板。

“太好了!”他高兴地大喊。

原来,安培正为没有地方运算而发愁呢。于是,他走到黑板前,从口袋里掏出一支粉笔,在黑板上计算起来。

阿拉果和毕奥一边走一边夸奖安培头脑灵活。忽然,他俩看见远处,有一个人正在马车背后全神贯注地写着什么。

“这是谁啊?怎么会如此认真?”他们俩走近一看,竟是安培。

于是,他们俩就在不远处停了下来,望着安培的背影,暗自奇怪。过路的人都对安培的举动感到好笑,而安培却心无旁念地用粉笔在马车的车厢上写着,写着。马车在不停地走着,安培跟在后面不停地写……

阿拉果和毕奥悄悄地来到安培身后,一看,整个车身已经被安培写得密密麻麻。这时,马车又开始走动起来,越走越快,最终安培就跟着跑起来。马车越来越快,最后跑到一个拐弯处消失了。这时候安培才发现,那根本不是什么黑板,而是一辆马车的车厢背面。

安培望着远去的马车背影,望着那“黑板”后密密麻麻的计算公式,无可奈何地摇了摇头。安培对奥斯特的新发现深深地着迷了。回去以后,他集中全力进行研究,在大量事实的基础上,通过精心研究,在不到一个月的时间内,安培就向科学院提交了三篇有关的研究论文,报告了他一生中最伟大的发现:不仅电流对磁针有作用,而且两个电流之间也有相互作用。在两根平行的通电导体中,如果电流的方向相同,它们就相吸引;如果电流的方向相反,它们就相互排斥。后来,安培在这个基础上继续探索着,在研究中又取得了大量成果,并且发现了电流之间相互作用的规律。后来,人们把这定律称为“安培定律”。

【物理碰碰车】

有错就改的安培

安培是法国的物理学家,对数学、化学都有贡献。1775年1月22日他生于一个富商家庭。最初,他并不认为电和磁之间存在联系,但是奥斯特的实验事实改变了他的观点,而且他很快就修正了自己的错误观念,还投入了电磁学的研究中。1820~1827年这段时间内,他发现了安培定则;总结出了电流的相互作用规律;发明了电流计;提出分子电流假说. 虽然安培的一生中,他只有很短的一段时间从事物理工作,但是却在这短短的时间内变成了电动力学的先创者。

雷电是块大磁铁

1731年,一个英国商人偶然发现,雷电过后,他的一箱刀叉竟都有了磁性,可以吸引细小的东西!这是不是说明雷电其实就是一块大磁铁呢?

一次偶然的强雷电,让人们了解到了由雷电引起的电磁转化现象。事故现场的电视天线高度在6米左右,周围的建筑物和树木的高度都比电视天线的高度要低。

当时积雨层距离天线的高度在300米以上,距离强雷电发生的距离为1000米左右。室内的天线和电源插头都已近拔掉,天线接头距离电视接线端大约为20厘米。电视天线馈线的长度大约为20米。一道闪光后,巨大的雷从1000米的高空炸起,与此同时电视机后面“啪”的一声闪过一道弧光。

靠近一看,电视天线和电视机的各接线端头都被高压电弧烧毁了。按照常理来说,一万伏的高压静电能击穿1厘米的干燥空气介质,如果想要穿透天线接头到电视接线端口的20利厘米的距离,需要20万伏的高压才能击穿。考虑到当时是雷雨天气,击穿1厘米空气介质所需的电压大约在5000伏左右,即便是这样,击穿20厘米的空气介质,电压也要在10万伏左右。这说明在20米长的金属馈线上至少产生了10万伏左右的磁感应电荷。

虽然雷电对人类的害处很多,但是它也不是一无是处的。雷电是一种强大的脉冲波,因此会形成强脉冲磁场。而人体是导体,强磁场会在人体中产生瞬间的感应电流,进而冲破人体的经络;同时,人体也是一个电磁源,外界不同强度、频率和波长的电磁场都会对人体产生影响。

适当的电磁脉冲辐射会激发人体能量,也可能使人体产生特异功能。不过,不管你想要获得特异功能的愿望是多么强烈,也千万不要在雷雨天跑出去寻找雷击的机会。因为获得特异功能是个小概率事件,但是被雷击中后死翘翘却是个大概率事件。

【物理碰碰车】电击疗法的原理

人类的感觉是通过神经系统传递的,如果通道传导不畅,一部分人可能因此失明或耳聋,如果接受电击,很有可能在瞬间强大的电磁-磁电的转换过程中,强磁场或强电场可能激发原有的神经或感觉器官使其恢复正常的功能。

变磁为电的法拉第

如果要说奥斯特发现的电流磁效应的最大贡献,那就是,他催生法拉第发现了电磁感应现象。

蛋生鸡,还是鸡生蛋?这是个千古谜题,也形象地说出了相互依存的两个事物之间的复杂关系。当然,科学家们最喜欢这样想:既然电能产生磁,那磁能产生电吗?

法拉第是个跟奥斯特一样勤奋又执着的人。看到奥斯特的结论,他产生了一个联想:既然电流能产生磁,那为什么磁不能变成电呢?如果能变成电,力量也一定不会小的。1821年,他便在笔记本上写下了“转磁为电”几个大字。

1833年,通过自己的努力,迈克尔·法拉第在英国皇家学院获得教授的头衔,这一年,他正好43岁。从一个没有受过正规教育的书铺学徒,到堂堂大学的教授,一时间成了科学史上的一段佳话。

他出生在贫寒的家庭,13岁被父亲送到书铺里当学徒,在那里,他用自己的辛苦劳动换取微薄的收入,但是他从书铺中得到了很多的快乐。“一根玻璃棒,在一块毛皮上摩擦几下就能产生静电?就能吸起一片纸屑?真是太奇妙了。”

有一次,法拉第从《大英百科全书》里看到了玛西特夫人讲述的化学实验,感到非常奇特,便照着书中讲的那样做起实验来。他跑到药房里去找一些扔掉的小瓶子,去买一点便宜的药品,躲在自己的小阁楼里精心地做着自己的研究,而且如痴如醉……

后来一个偶然机会,法拉第被化学家戴维发现。这个发现了多种新元素的伟大化学家十分爱惜人才。他把法拉第要到了皇家学院,做自己的实验助手。到了皇家学院的实验室,法拉第如鱼得水,专心致志地开始了自己研究工作。

为了实现自己的梦想,在这之前,法拉第就已经完成了电磁学上有了一个重要试验。他在一个玻璃缸中央立上一根磁棒,倒上水银以后,让磁极的一端露出来,再用铜丝捆住一块放到水银缸里的软木,将导线一端接在磁棒上,另一端通过铜丝与磁棒的另一极联起来。这样,电源接通后,导线马上开始移动了……这个试验让他在电磁学上是一个很大突破。法拉第为了彻底弄清磁是否能转变成电这个问题,那一段时间,他的口袋里总是放着一个电磁线圈的模型,一有空就把模型拿出来琢磨,仔细地思索着,如果有灵感,就一头扎进实验室。

直到1831年10月17日,法拉第把磁转变成电的实验终于成功了。这个实验不知不觉就用去整整10年。此后,法拉第又继续进行大量的实验,以探讨电磁感应产生的条件。

法拉第发现“电磁感应”后,更加快了他的研究步伐。他利用这一原理,制造出了世界上第一台发电机。

【物理碰碰车】转磁为电的法拉第

法拉第是英国著名物理学家、化学家,在化学、电化学、电磁学等领域都做出过杰出贡献。他家境贫寒,未受过系统的正规教育,但刻苦勤奋、探索真理、不计个人名利的典范,对于青少年富有教育意义。1816年发表第一篇科学论文。他最初从事化学研究工作,也涉足合金钢、重玻璃的研制。在电磁学领域,倾注了大量心血,取得出色成绩。1824年被选为皇家学会会员,1825年接替戴维任皇家学院实验室主任,1833年任皇家学院化学教授。

在空中跑的火车

法国作家西拉诺·贝尔热拉克曾经写过一本有趣的著作《月国史话》,主人公乘坐着一种有趣的飞行器飞往月球,而这飞行器是以磁力为动力的。但是,谁也不会相信真有这种飞行器。事实上,这种飞行器从理论上来讲是可行的。

我们首先看看他在书中是怎样描写的:

我吩咐工匠用铁料打造了一个槽车,然后用手将一个磁铁球高高地抛过头顶,槽车便随之腾上空中。我不让槽车接近吸引它的磁球,每当将要接近时,我就再次把磁球抛起。

有时我只是手拿着它,向上举起,终于接近月球上的登陆点了。槽车好像粘住了我一样,因为这时我手里还紧握着那颗磁球,它好像舍不得让我离开似的。我控制着抛球的动作,为的是防止着陆时会跌伤,槽车的下降速度因磁球的引力而逐渐变慢。当我距离月球表面只有两三百米的时候,我就朝着与降落方向成直角的方向抛出磁球,最终,槽车贴近了月球的地面。这时我跳出槽车,软着陆在一片沙地上。

现在人们已经利用电磁的原理设计出了一种磁悬浮列车,这种列车已经在俄罗斯的莫斯科的多家邮局中使用,专门用来转运较轻的邮寄品。这种电磁邮局的运送路长120米,运行速度为30米/秒。

这套设备省去了运行的动力、机务、乘务人员等开销,虽然其中铜管道的费用很多,但每千米的运营成本很低。车厢在这种电磁铁路上由于重量被电磁铁的吸引所抵消,所以是完全没有重量的。设计者所设计的车厢既不是在轨道上,也不是飞在天空或者漂在水面上,而是悬在强劲的磁力线上奔驰,车厢没有任何支撑和接触的情况,在无形存在的磁力线上飞速前进。

由于它们之间没有受到一丝摩擦,所以一旦运动起来,无需机车牵引就能依靠惯性保持原有的速度来运行。知道了这个原理,就能够明白为什么它能够飞速地前进了。

车厢运动在被抽掉空气的真空铜制管道中,消除了运动阻力,而整个铜制管道中,需要安装很多强力电磁铁,每隔一定的距离就要有一块,这样利用强大的吸引力保证它们不会跌落。车厢是雪茄状的大圆筒,每节长2.5米,高90厘米。因为要在真空中运动,所以车厢是密闭的,像潜水艇一样,里面配有自动清洁空气的装置。

发动之后,由于管道内没有摩擦力,列车会依靠惯性一直向前,速度不会减小,直到车站的螺线管断电后才会停住。而在管道中行驶的列车厢则是靠管道的“天花板”和“地板”之间强大的磁铁磁力支撑着,车厢被电磁铁向上吸引着,另外还有重力在向下拉,从而使车厢不会碰到“天花板”。而还未能等到它由于重力的作用而碰到“地板”时,便又被电磁铁吸回去……

就这样,列车在空中始终处于电磁力控制之中而做波浪式运动,这种运动就像在宇宙空间运行的行星一样,既不受到摩擦力的阻碍,也不需要提供动力。

【物理碰碰车】活跃在田间的“电磁铁”

有些杂草的种子表面会有细微的绒毛,这些绒毛就像细细的爪子一样,在动物经过的时候,会紧紧抓住动物的皮毛。如此,它就可以离开母体,另觅扎根处了。不过利用杂草的这种特性就可以把杂草的种子从相对光滑的作物种子中分离出来。

具体的方法是,将铁屑撒在混有杂草种子的作物种子上,这时粗糙的杂草种子上会被铁屑粘附上,而光滑的作物种子则不会被附着。这样,便可以利用具有相应磁力的电磁铁去吸,自然也就能从作物种子中把粘有铁屑的杂草种子轻松地分离出来了。

提不起的铁箱

有这样一个铁箱,不管你用多大的力气都提不起来,什么?你不相信?看完下边的魔术你就相信了!

在《电的应用》里,作者描述了一位法国魔术师演出的过程:

魔术师想请台下自认为力气很大的观众上台,帮他抬动一个不算太大、带有把手的铁皮箱。被魔术师点名的那位中等个子的阿拉伯壮汉充满自信地走上台,看着舞台上的铁箱,满不在乎地问道:“就是要提这个箱子吗?”

魔术师将他由上至下的打量一番,笑着问他:“你的力气真的很大吗?”

阿拉伯男子说道:“那还用说,我这块头,力气绝对是没问题。”

“你确信自己的力量不会变小?”

“怎么会啊,我中午吃了很多的。”

“那如果我说,我可以让你瞬间变得连一个小孩的力气都不如,你相信吗?”

阿拉伯男子一撇嘴,不以为然地一笑,显然不相信魔术师的话。

“那么现在,请你提起这个箱子。”

大力士毫不费力地一下子就把箱子提了起来,他以嘲笑般的语气问道:“就提这么轻的箱子?”

魔术师不慌不忙,抬手打了一个手势,并且严肃地对大力士说:“你的力气已经被我吸走了,你现在再提一下箱子吧。”