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第64章 电动风车和避雷针

高压直流电,可以使玩具风车旋转。

为什么会发生这个现象,这是最近2个世纪以来一直争论的一个问题,但近年来这个装置或多或少地被人忽视了。可是究竟为什么呢?在真空或无尘环境中它还能旋转吗?为什么放电的颜色取决于风车的极性?为什么风车的端部必须是尖的?最后,你能否计算风车在已知条件下能旋转多快吗?

把风车简化一下,做一个更能揭示出实质的电轮。电轮的构造很简单,把一根两端磨尖的钢丝弯曲,并固定在一块金属圆片上,再安装在一根有绝缘底座的针轴上。这时,只要使起电机的负极连接针轴,正极接地,开动起电机,电轮就会转动起来。

电轮为什么会转动呢?显然,明白了这个道理,也就明白了风车为什么会转。

那是因为,在高电压下,电轮的两个尖端部位,电场强度很强,以致使其周围的空气发生电离而引起强烈的放电,生成大量离子。这些离子和电轮极性相同,受到强烈排斥而离开尖端。它们的运动带动周围空气分子,形成了电风。电风的向前运动造成了电轮向后转动,就像喷气式飞机向后喷气得到了向前运动的反作用力一样。现在,电风在净化空气等方面都已得到了广泛应用。

可是也许你还是不明白,为什么无论电轮还是风车,它的端部一定必须是尖的呢?

实验证明,电荷在导体表面的分布不但与自身形状而且与外界条件有关。只有孤立导体的电荷分布才能由自身的形状及电量决定。大致说来,在孤立导体表面,向外突出的地方电荷较密;比较平坦的地方电荷较疏;向里凹进的地方电荷最疏。

避雷针模型由于尖端附近场强较大,该处的空气可能被电离成导体而出现尖端放电现象。夜间看到高压电线周围笼罩着的一层绿色光晕(电晕),就是一种微弱的尖端放电形式。尖端放电会导致高压线及高压电极上电荷的丢失,因此,凡对地有高压的导体(或两个互相有高压的导体),其表面都应尽量光滑。另一方面,在很多情况下尖端放电也可以被利用,例如感应起电机的喷电针尖及集电针尖就是尖端放电的应用。

此外,避雷针也是应用尖端放电的一个例子。避雷针有一个尖端,上端高出房子数米,下端埋入地下数米。为什么要求具备这些特性呢?人们意见不一。自从富兰克林发明避雷针以来,关于这个问题仍有许多争论。有人声称避雷针有助于当云越过针上方时的放电,因而避免了闪电引起的严重破坏。其他一些人认为,避雷针仅仅为任何接近它的闪电提供一条安全到达地面的途径。

有关避雷针的作用和设置还有许多错误的观念与争论。在避雷针开始应用后不久,对顶端做成金属圆头或做成玻璃圆头就引起过激烈的辩论。当时欧洲大部分避雷针都建得很矮,而且头部做得很钝,结果,效果根本不好——因为避雷针用的是尖端放电的原理。

也有一些令人信服的论据表明,避雷针底部只要接触泥土表面层即可,因为将闪电引到深层潮湿的泥土中可能会引起爆炸。最近还有人在避雷针的顶端装上一个放射源,放射源有助于空气电离,因而进一步诱使闪电闪击到避雷针上,而不闪击到被保护的建筑物上。

可是,放射源真的会起作用吗?使用避雷针的目的是为了给电流提供一条传到地面的安全通路。尖端周围有很强的电场,因此能开出一条向上的通道,与向下行闪击相遇。一旦接触发生,电流就从电离通道流往避雷针到达埋入避雷针的地下。因此闪电击中与避雷针相连的建筑物的可能性就减少了。避雷针不能使经过的云发生大到可以避免闪电的放电,这是因为避雷针的放电太慢的缘故。因而,打算在避雷针上放置放射源是没有效用的。如果闪电击破了放射源的话,很可能会造成更大的危险。避雷带避雷带,是指沿屋脊、山墙、通风管道以及平屋顶的边沿等最可能受雷击的地方敷设的导线。当屋顶面积很大时,采用避雷网。它是为了保护建筑的表层不被击坏,避雷网和避雷带宜采用镀锌圆钢或扁钢,应优先选用圆钢,其直径不应小于8毫米,扁钢宽度不应小于12毫米,厚度不应小于4毫米。避雷线适用于长距离高压供电线路的防雷保护。架空避雷线和避雷网宜采用截面积大于35毫米的镀锌钢绞线。

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