神奇的电流效应-奇妙的电与磁
谁都没有直接看见过电流,但是谁都知道日常生活中许多东西离开了电不行,都知道电的威力强大无比,这就涉及到电流的各种效应,有些效应还奇特得令人难以想象。现在,我们就简单谈谈这方面的情况。
我们先谈谈电流的热效应。1800年,伏打电池发明以后,人们发现电流通过导体时,导体会发热,这就是电流的热效应。它和哪些因素有关呢?第一个用实验揭开这个秘密,并且做出精确的定量计算的,是英国青年物理学家焦耳。1840年,22岁的焦耳做了通电导体发热的实验,他巧妙地设计了实验装置,把通电的电阻丝放在纯净的水中,用电阻丝产生的热量使水升高温度,温度升多少由温度计测出。焦耳废寝忘食地进行实验,终于发现了一个重要的规律:电流通过导体放出的热量,跟电流强度(指单位时间流过导体截面积的电量)的平方、导体的电阻、通电时间三者成正比。1842年,俄国物理学家楞次也独立地发现了这一定律,这就是焦耳—楞次定律的由来。
电流热效应有着广泛的应用。大家所熟悉的电炉、电烙铁、电熨斗、电烤箱、电热器等各种电热设备,都是以焦耳定律作为理论依据设计的。电流热效应还被用来焊接金属,爆破时引发炸药,军事上引爆地雷,现代养鸡场里用来孵化小鸡,科学实验中热恒温箱,电热保暖服等。但也应注意,电流热效应有时也会带来危害,比如烧坏器件,甚至引起火灾和人员伤亡。为了防止这些危害,人们已经能有效地采取冷却措施和保险措施,保证了人员和设备的安全。
我们再来看一看电流的化学效应。电流通过导电溶液时,溶液会发生化学变化,这种现象就叫做电流的化学效应。在盛有硫酸铜溶液的玻璃杯里,直立放人两根碳棒,用导线把它们和直流电源相连接,溶液中就有电流通过。过几分钟以后就会看到,和电源负极相连的碳棒上出现了一层红色的铜,这层铜就是硫酸铜溶液在电流的作用下发生化学变化后分解出来的。利用电流的化学效应,可以电镀各种金屑制品,使它们的表面更加光亮,提高耐磨和防锈的能力。利用电流的化学效应,能提炼高纯度的金属,比如电解铜,可以得到纯度为99.999%的铜。还可以通过电解水的方法,制取氢和氧,为寻找新能源提供了条件。
温差电效应。1821年,德国物理学家塞贝克发现了如下一种奇怪的现象:把两根铜丝接在电流表的两个接线柱上,使两根铜丝的另外两端分别与一根铁丝的两端相绕缠在一起。然后,把相绕缠的一端放在盛有冰水混合物的容器里(冷接头),保持低温;另一端放到火焰上加热,使它升到很高的温度(热接头)。这时候就可以发现电流表的指针发生了偏转,这说明电路里有了电流。这种电流当时叫做热电流,后来就叫成了温差电流。温差电流的大小同两种金属的性质有关,还与两个接点上的温度差有关。温差电效应可以用来测量温度,制成灵敏度很高的温差电偶温度计。对于半导体来说,这种效应用处更大,可以制备温差电池,用来发电或作为电源使用。
电致伸缩效应。在自然界中有些物体的性能很特别,像石英、电气石等晶体,在它们的两个表面上施加压力或拉力,两个表面就会分别显示出正、负电性。这种现象就叫做“压电现象”。反过来,把这类晶体的两个表面和电源的正、负极相连,就会发现在电流流过晶体的时候,晶体就会发生机械形变,伸长或收缩。这种现象就叫做“电致伸缩”。利用电致伸缩原理,可以制造超声波发生器、晶体耳机等。
最后,我们再看一看电流的生物效应。自从伽伐尼发现动物电以后,电流的生物效应越来越引起了人们的关注。在长期的研究和实践中,人们逐渐认识到各种生物体都有生物电流的存在。大家都知道的心电图、脑电图,就是把人体心脏或脑部产生的电流,经过仪器处理后再显示出来的图像。外界电流对人体的各个部位能产生不同程度的影响,这也是电流的生物效应。早在18世纪中叶,就有人用电治疗过麻木的手指。现在,电疗已成为常见的一种治疗手段。有的科学家还设想;如果把声音信号变成电信号,然后用它去刺激聋人的适当部位,就有可能使他们的听觉得以恢复,这可能会给成千上万的耳聋病人带来福音。
此外,还有电流的磁效应,这也是本书主要讨论的内容之一,在以后的内容中你还可以看到“电”与“磁”种种奇妙的关系。