淺談電學(xué)在生活中的應(yīng)用

任迎春

【摘 要】電學(xué)知識在日常生活中的廣泛應(yīng)用，給人們帶來了巨大的方便，比如遠(yuǎn)距離輸電的效率問題，尖端放電和避雷針，靜電復(fù)印等，通過電學(xué)應(yīng)用原理的逐步掌握，將其運(yùn)用到人們的日常生活中，為人類造福。

【關(guān)鍵詞】電學(xué)；生活；應(yīng)用

一、高壓輸電線路的發(fā)熱問題

便于遠(yuǎn)距離輸送是電能的優(yōu)點(diǎn)之一。但是輸電的過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，既要保證輸電效率高，又要考慮輸送的安全性，可靠性和經(jīng)濟(jì)性等等因素。

為什么遠(yuǎn)距離輸電要用高壓輸送而不用220V的民用低壓輸送？先來分析送點(diǎn)過程：輸電→導(dǎo)線（電阻）→發(fā)熱→損失電能→減小損失。要達(dá)到送電效率高、損失小的目的，就要設(shè)計(jì)好送電線路。輸電要用導(dǎo)線實(shí)際上，導(dǎo)線都是有電阻的，如果導(dǎo)線很短，電阻則很小可忽略，而遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，導(dǎo)線很長，電阻已達(dá)到不能忽略。電流通過很長的導(dǎo)線要發(fā)出大量的熱。

計(jì)算來證明：如果一定長度的高壓輸電線電阻為100Ω，輸電線路上的電流是100A，那么每秒鐘導(dǎo)熱線發(fā)熱量是多少？

由焦耳定律：

Q=I2Rt

式中：Q：發(fā)熱量-單位J（焦耳）；I：電流-單位A（安培）；t：通電時(shí)間-單位（s）秒。

算出發(fā)熱量為：

Q=I2Rt=1002×100×1=1000000J=1000KJ

1.000千焦，短短的一秒鐘產(chǎn)生的熱量就有這樣多。這些熱，一部分散失到大氣中，白白損失了電能；而另外一部分，則使得導(dǎo)線發(fā)熱，破壞了導(dǎo)線的絕緣性能，甚至?xí)?dǎo)線本身造成直接的損害。所以，輸電時(shí)，必須減小導(dǎo)線發(fā)熱損失，提高送電效率，保護(hù)輸電路線，讓更多能量進(jìn)入到用戶。

如何減小導(dǎo)線發(fā)熱呢？針對焦耳定律中的三個(gè)參數(shù)；通電時(shí)間、線路電阻、輸電電流?？傻弥?，減小導(dǎo)線發(fā)熱，有以下三種方法：一是減小輸電時(shí)間，二是減小輸電線電阻，三是減小輸電電流。那種方法更有效？

電力系統(tǒng)是必須保證對用戶的時(shí)時(shí)刻刻的供電，所以，第一種方法等于停電，沒有實(shí)用價(jià)值。

第二種方法從導(dǎo)線的材料、長度、橫截面積三方面來設(shè)計(jì)，從電阻定律公式：

R=ρ

式中：ρ：電阻率，體現(xiàn)材料的導(dǎo)電性能；1：導(dǎo)線長度，在輸電過程中由輸送的距離決定，單位M（米）；S：導(dǎo)線橫截面積，單位m2（平方米）。

減小導(dǎo)線的長度，自然可以降低電阻，然而遠(yuǎn)距離輸電的導(dǎo)線長度，一般都是無可更改，最多只能在實(shí)際走線中盡量設(shè)計(jì)最優(yōu)化的路徑，但其可變范圍微乎其微；增大導(dǎo)線的橫截面積，理論上也可以減小電阻，但此改變卻關(guān)系到導(dǎo)線自身的承重能力，金屬材料的消耗等等原因，是不可隨意增大的；而選用電阻率小的材料，這是現(xiàn)代電力系統(tǒng)已經(jīng)盡力去完成的指標(biāo)，一般選用鋁線或者銅線作為導(dǎo)線材料，其電阻已經(jīng)很小。因此減小電阻的方法，可控范圍其實(shí)很小。

最容易的方法就是第三種方法了：即減小輸電線路上通過的電流。從焦耳定律公式可以看出，第三種辦法是很有效的：電流減小一半，損失的電能就降為原來的四分之一。但是要如何才能做到減小電流呢？根據(jù)輸送功率于輸送電壓和電流的關(guān)系：

P=UI

式中：P：輸送功率，單位W（瓦）；U：輸送電壓，單位V（伏特）；I：輸電線路上的電流，單位A（安培）。

此式表明，在需要輸送的功率一定的情況下，只要提高輸電的電壓，就能降低輸電線路上的電流。

因此在發(fā)電站都要安裝用來升壓的變壓器，實(shí)現(xiàn)高壓輸電。高壓輸電可以保證在輸送功率不變，減小輸電電流來減小輸送電的電能損失，減小輸電導(dǎo)線上的功率損失，達(dá)到較高的送電效率。用以下例子計(jì)算比較采用高壓輸電和低壓輸電的功率損耗的區(qū)別。

例如：輸電線的電壓為1.0Ω，輸送的電功率為100KW，計(jì)算用400V的低壓送電，輸電線上的發(fā)熱損失的功率是多少？若改用10KV的高壓送電，損失的功率又是多少？

a）解：計(jì)算送電導(dǎo)線上的電流：采用400伏特送電時(shí)送電線路上的電流I1=p/u1=100000w/400v=250A

所以，發(fā)熱引起的功率損耗

P1=I12R=（250）2×1.0W=62500W

b）采用10000伏特高壓送電時(shí)送電線路上面的電流

I1=p/u1=100000w/10000v=10A

所以，發(fā)熱引起的功率損耗

P2=I22R=（10）2×1.0w=100w

比較以上兩種送電方式，結(jié)論明顯，采用高壓送電的功率損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于低壓送電的功率損耗。所以，高壓送電是科學(xué)提高用電效率的最好方法。因?yàn)橛脩糁荒苡玫謮弘妷?，所以在用戶端要安裝降壓變壓器。即發(fā)電廠→升壓變壓器→高壓輸電線→降壓變壓器→用戶單位。

二、尖端放電和避雷針

趣味物理現(xiàn)象“電風(fēng)轉(zhuǎn)筒”，“電風(fēng)吹燭”的直觀展現(xiàn)及教科書知識的學(xué)習(xí)，其實(shí)就是尖端放電的過程，下面向大家更加科學(xué)的解釋尖端放電的奧秘，揭開它的神秘面紗。

導(dǎo)體上的靜電荷總是分布在外表面上，而且一般來說分布不均勻，導(dǎo)體尖端的電荷特別密集，所以尖端附近的空氣中的電場特別強(qiáng)。通常情況下空氣是不導(dǎo)電的，但是如果電場特別強(qiáng)，空氣分子中的正負(fù)電荷受到方向相反的強(qiáng)電場力，有可能被“撕”開，這種現(xiàn)象叫做空氣的電離，由于電離后的空氣有了自由移動(dòng)的電荷，空氣電離后產(chǎn)生正負(fù)電子，空氣就可以導(dǎo)電了，這時(shí)便產(chǎn)生了尖端放電現(xiàn)象。尖端放電在高壓輸電導(dǎo)線和高壓設(shè)備的金屬元件，表面要做得很圓滑，為的是避免因尖端放電而損失電能或造成事故。

為了避免雷擊，人們設(shè)計(jì)針狀金屬物，裝在建筑物的頂端，用粗導(dǎo)線與埋在地下的金屬板相連，當(dāng)帶電云層接近時(shí)，大地中的異種電荷被吸引到避雷針的尖端，并由于尖端放電而釋放到空氣中，與云層中的電荷中和，達(dá)到避雷的目的。在強(qiáng)電場作用下，物體表面曲率大的地方（如尖銳、細(xì)小物的頂端），等電位面密，電場強(qiáng)度劇增，致使它附近的空氣被電離而產(chǎn)生氣體放電，此現(xiàn)象稱電暈放電。對于電風(fēng)轉(zhuǎn)筒，氣體在高電壓靜電場的作用下產(chǎn)生電離，帶正電的離子集體流向尖形電極的負(fù)極，帶負(fù)電的離子集體流向尖形電極的正極，從而帶動(dòng)塑料圓筒旋轉(zhuǎn)。而電風(fēng)吹燭，在尖端附近強(qiáng)電場的作用下，空氣中散存的帶電粒子加速運(yùn)動(dòng)，并獲得足夠大的能量，以至它們和空氣分子碰撞時(shí)，能使后者離解成電子和離子，這些新電子和離子與其它空氣分子碰撞時(shí)，又能產(chǎn)生大量新的帶電粒子。與尖端上電荷異號的帶電粒子受尖端電荷的吸引，飛向尖端，使尖端上的電荷被中和掉；與尖端上電荷同號的帶電粒子受到排斥而從尖端附近飛開，蠟燭火焰的偏斜就是受到這種離子流形成的“電風(fēng)”吹動(dòng)的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中，不斷給導(dǎo)體充電，可防止尖端上的電荷因中和而逐漸消失，使“電風(fēng)”持續(xù)一段。

三、靜電復(fù)印

靜電復(fù)印機(jī)可以迅速、方便地把圖象、資料復(fù)印到紙上，其中心部件是一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的接地鋁輥，表面鍍有一層半導(dǎo)體硒，半導(dǎo)體硒有一種特殊的光電性質(zhì)，沒有光線照射時(shí)是很好的絕緣體，能保持電荷，受到光線照射時(shí)，立即變成導(dǎo)體，將它上面的電荷立即導(dǎo)走。

轉(zhuǎn)鼓的特性只有在帶電的情況下才能表現(xiàn)出來，轉(zhuǎn)鼓的帶電過程是在暗室中進(jìn)行的，高壓直流電通過金屬絲或者是針制作成的電極，產(chǎn)生電暈放電。轉(zhuǎn)鼓和電極保持一定的距離做相對的運(yùn)動(dòng)，就能使轉(zhuǎn)鼓表面帶上正電荷（即靜電荷，正與負(fù)都可以的，只是正電荷的性能更好一些）這個(gè)過程叫做充電。

用照相的方法把原稿的圖像，通過光學(xué)系統(tǒng)（照相鏡頭，反光鏡，照明燈等）變成光像照射在充了電的轉(zhuǎn)鼓上，受光照的部分就成為導(dǎo)體，所帶的電荷消失，未受光照的部分（即相對于原稿中圖形文字部分仍然是絕緣體）保留著電荷。這就是轉(zhuǎn)鼓表面上形成了一個(gè)由正電荷組成的和原稿一樣但是相反的圖像。這個(gè)看不見的圖像叫做靜電潛影，這個(gè)過程就是所說的“曝光”。

把顯影劑撒在轉(zhuǎn)鼓表面上，顯影劑中的墨粉帶有負(fù)電荷，很容易吸附在正極性的靜電潛像上，靜電潛像借墨粉顯現(xiàn)出來，這個(gè)就是顯影過程。

普通紙和轉(zhuǎn)鼓貼在一起，用轉(zhuǎn)鼓充電的同樣方法和極性對紙進(jìn)行充電，紙就帶上了正電極的電荷，紙上的電場比轉(zhuǎn)鼓上的電場強(qiáng)些，墨粉就可以從轉(zhuǎn)鼓上被吸附到紙上了，通常叫做“轉(zhuǎn)印”。

吸附在紙上的墨粉圖像不能持久，把有墨粉圖像的紙經(jīng)過加熱，墨粉溶化浸入紙中，圖像就固定了，這個(gè)叫做定影。整個(gè)復(fù)制過程就完成了，轉(zhuǎn)鼓經(jīng)過充電消去殘余的正電荷，叫消電，清掃殘留的墨粉叫做清潔，這兩個(gè)步驟完成以后，才能再次使用。

對于自然及各種物理現(xiàn)象，如果我們能準(zhǔn)確把握它們的規(guī)律，并合理利用，運(yùn)用，就會給人類的生活帶來極大的便利，造福亙遠(yuǎn)。而若忽視它們或不合理的濫用，即使是不起眼的事情，亦會造成滅頂之災(zāi)。在日常生活中，正確應(yīng)用好電學(xué)知識，造福人類，希望大家趨利避害，享受它帶來的便利時(shí)，也要注意它的危害，避免災(zāi)難發(fā)生。

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