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本期主角:电磁大舞台
所在地:山西省科学技术馆
在山西省科学技术馆三层的机器与动力展厅中,有着一个被铁丝网围起来的神奇舞台,在整个展厅中格外显眼,这便是电磁大舞台。
要说起电,有一个人我们便不得不提起,那就是富兰克林。
1752年6月的一天,一场暴风雨即将来临,富兰克林带着儿子威廉一起,将一个装有钥匙的风筝升入高空,通过钥匙和风筝线将雷电引到可储存静电的莱顿瓶中,这一实验被称为“风筝实验”。在此之后,富兰克林通过更多实验证明了:自然界形成的雷电与人工制造出的电特性完全相同。
如今,我们在山西省科学技术馆中也可以将上万伏的高压电引入莱顿瓶中,重现富兰克林当年英勇的实验。
电磁大舞台上的第一位明星是一根黑漆漆的圆柱体,这就是沿面放电的装置。在它的中心有着一个圆形电极。当电压不断升高,放电现象也越发激烈。玻璃板是绝缘材质,两极间电压升高后,在强电场的作用下,玻璃表面的空气会被击穿,形成多条在固体和气体间放电的通道,从而在玻璃板上产生绚丽的蓝紫色电弧,同时发出让人惊悚的声音。除了视听的刺激,高压电击穿空气还会产生嗅觉的体验:臭氧,我们日常使用复印机时也会产生臭氧,和沿面放电产生的味道相同。
在沿面放电的旁边还有另一位明星:雅各布天梯,它由两个羊角形的管状电极组成。高压电接入后,由于两极间距离最近的地方,空气电阻最小,最容易被击穿,这里便会产生电弧。电弧的高温会使空气受热、电离,产生火焰。火焰在空气对流和电动力的驱使下,向上爬升。随着两极间距离逐渐增加,电阻也随之变大,当到达一定高度后,电弧破裂,同时在下方产生新的电弧。可无论如何只会有一道火焰向上延申。由于羊角电极产生的现象像极了古希腊神话中雅各布采集圣火的天梯,因此取名“雅各布天梯”。
倘若电弧击穿的不再是空气而是一些稀有气体,它的颜色也会发生变化。我们日常生活中的霓虹灯、氙气灯正是利用了这一原理。
这些高压电放电的现象无论从视觉还是听觉上都让人心有余悸,接下来,还有更刺激的:“法拉第笼”,它通体由金属构成。如果接通电源,它右侧的铁针上会产生剧烈的尖端放电现象,直接打到金属笼上。我们都知道金属具有着极强的导电性。那么当人站在笼内触碰铁笼时,是否有触电的危险呢?
可以看到即使用手直接触碰铁笼,笼内的人也并没有被电击中,十分安全。
其实,人之所以会触电是因为电位差,但在法拉第笼当中,电流只能在笼子外表面流动,加之笼体接地,电流打入后直接传入大地,笼体和人体之间便没有电位差,电流不会从人体流过,自然也就不会触电了。
电是一种奇妙的东西:它有着特殊的危险性,但当人类掌握了它的奥秘后,可以极大地节省体力和脑力 ,彻底改变人类的生活方式。