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用摩擦发电:理想很美好,现实很残酷

时间:2017-08-02 13:51来源:未知 作者:蚂蚁 点击:
许多朋友都有过这样的经历:在干燥的冬日,当你试图脱去一件化纤面料的外套或者一件羊毛衫时,会听见“啪啪啪”的声音,如果是在晚上甚至可能看见火花。穿着这样的衣服触摸门把手等金属物体时,还可能会被电到。导致这些现象的就是我们熟悉的摩擦起电

       许多朋友都有过这样的经历:在干燥的冬日,当你试图脱去一件化纤面料的外套或者一件羊毛衫时,会听见“啪啪啪”的声音,如果是在晚上甚至可能看见火花。穿着这样的衣服触摸门把手等金属物体时,还可能会被电到。导致这些现象的就是我们熟悉的摩擦起电。

  化纤或者羊毛衣服在与人体接触和摩擦的过程中容易产生电荷,由于这些衣物都是绝缘体,摩擦产生的静电本来就容易停留在衣服和人体上,当我们接触导体,例如金属制成的门把手时,就可能发生放电。冬天由于湿度下降,空气变得不容易导电,这就导致静电更加容易聚集,于是摩擦起电就变得更加明显。

  摩擦产生的静电不仅令人厌恶,很多时候还会严重干扰我们的生活。例如在加油站加油时,司机身上的静电如果不能及时释放掉,就有可能引发汽油的火灾,酿成大祸。接触电子产品时,操作者身上的静电还可能破坏敏感的电子元件,影响设备的正常使用。因此,在通常的情况下,我们总是设法消除静电。

  然而在最近,令人生厌的静电居然“改头换面”,要和核能、太阳能、风能等新能源一道,为我们的生活提供电能了。这究竟是怎么回事呢?

  用摩擦发电:理想很美好,现实很残酷

  摩擦为什么会起电?这个问题看上去简单,但科学家们至今还没能给出一个完满的答案。目前被普遍接受的解释是当两种不同的材料发生接触时,两种材料的表面之间会形成一些化学键,使得电荷从其中一种材料转移到另一种材料。当这两种材料重新分开时,等量的正负电荷就有可能分别保留在两种材料的表面。绝缘体导电能力差,电荷一旦在其表面出现可以聚积相当长的时间,这就是为什么摩擦起电比较容易在绝缘体之间观察到。

  那么在摩擦起电过程中,电荷是凭空产生的吗?当然不是。要想让互相接触的两个物体产生比较明显的静电,我们总是要用力摩擦它们。也就是说,在这个过程中,我们总是要付出一部分机械能,而正是这部分能量转化为电能,让原本不带电的两个物体的表面分别聚积正负电荷。也就是说,通过摩擦,我们确实可以把其他形式的能量转化为电能。

  然而理论上说得通是一回事,实际应用中是否可行又是另一回事。设想有两块上下隔开一定距离的塑料薄板,上面这块薄板的上表面和下面这块薄板的下表面分别镀上一层金属电极,两个金属电极通过导线相连。如果我们用力压上面的薄板使之向下弯曲,直至与下面的薄板发生接触,在这个过程中,两块薄板的塑料部分由于相互摩擦,表面分别带上了等量的正负电荷。塑料通常都是良好的绝缘体,所以摩擦产生的电荷可以在它们的表面停留很久。

  现在我们将外力撤掉,如果构成上面这块薄板的材料具有一定的弹性,那么它会恢复原来的形状,与下面这块薄板脱离接触。在这个过程中,正负电荷之间被隔开了一定的距离,于是两块薄板之间就出现了一个电场。

  这个时候,两块薄板被导线连接起来的金属电极也感受到了电场的存在,这让它们感到很是不舒服,决定也形成一个电场,将刚才出现的那个电场抵消掉。于是,通过导线,金属中的电荷会重新调整分布,如果上面那块薄板的底面带负电荷,那么其顶部金属电极的表面则会带上正电荷,而另一块薄板的金属电极表面则会带上正电荷。这就是大家并不陌生的导体的静电感应现象。

  在两块薄板分离的过程中,电场的强度一直在变化,因此电荷不得不在两个电极之间流动,使得两个电场一直可以互相抵消。当两块薄板完全恢复到最初的距离时,塑料之间的电场不再发生变化,因此导线中也就不再有电流。

  如果我们再次施加外力让彼此隔开的两块薄板发生接触,由于两块塑料之间的电场强度发生变化,于是电流重新在金属电极之间产生。当两块薄板完全接触时,金属电极之间的电流再次宣告中断。如果重复接触-分离-再接触-再分离的过程,那么电流就会不断地在两块金属电极之间产生。也就是说,利用摩擦起电原理,我们实际上构建了一个发电机。 (责任编辑:蚂蚁)

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