“笼子”发明家

2023-01-31 19:00:43
科普童话·神秘大侦探 2022年12期
关键词:电势差法拉第电势

接下来,请保持镇定,无论如何都不要恐慌。首先,我们准备了一个接地的金属笼子,它由良导体组成,紧密地编织在一起,然后就是把你关进去,而这么做是为了——保护你。

表演开始

很好,你已经被关进笼子里了。接下来,笼子 外面的操作员会将准备好的放电装置靠近铁笼,然 后躲得远远的,接通电源。刹那间,恐怖的电笼罩 着整个区域,包括关你的金属笼子。好了,作为本 次实验的直接参与者,请猜猜你的结局:

A.被电昏厥

B.毫发无损

二选一这么简单的问题你一定不会选错吧! 现在公布答案,没错,就如同你想的一样,答案就 是被一电一—后毫发无损,B。正是这个金属笼 子屏蔽了外部的电场,保护住你不被电击。

法拉第笼

这个笼子叫“法拉第笼”,从名字就能猜到,它的发明者就是科学家法拉第。接下来的问题是:金属明明可以导电,但法拉第笼是如何保护里面的人不被电到的呢?

要解释这个问题可以分为三步:

没有电流通过人体

人之所以会触电,是因为在人体内形成电流,除了自身和接触物都是导体外,电流形成还有个必要条件——电势差,就像是水从高处流向低处,电的流动也是一样。比如,我们用手(身体部位)触碰电线,脚站在地面上,电线与大地之间存在电势差,电流从高电势(电线)流向低电势(大地),人体成了电子流动的通道,于是,电流就经过人体流向大地,造成触电事故。

法拉第笼的存在屏蔽了电场

法拉第笼在外加电场的作用下,导体内部的电子会移动到导体表面,产生一个大小相当、方向相反的电场,从而将内外电场抵消,笼子内部就没有能够自由移动的电子了,也就不会产生电流。屏蔽了外部的电场,使内部电场为零。

更简单的法拉第笼比喻

法拉第笼就好像机械中的弹簧,当你施加一個压力的时候,它自动返回一个相反的压力平衡。法拉第笼恰好起到了平衡电势差的“弹簧”作用,金属内部处处电势相等,所以人体没有电势差,无法产生电流,人就安全了。

我就是法拉第

1791年9月22日,我出生在英国一个铁匠家庭。因为家境贫寒,所以我只读了两年的小学,就被迫离开学校……几经周折,我来到一家书店当学徒,学习装订手艺。

等等,你以为我的人生就在这里急转直下?事实恰恰相反。

许多年后,当我回首往事,一个又一个荣誉浮现:“发现电磁感应现象”“发明圆盘发电机”“交流电之父”“电磁学奠基人”“电学之父”……好吧,数自己到底有多少称号确实是挺无聊的事情,毕竟有些发明连我自己也“记不清”了。

比如,1836年,我发现带电导体上的过剩电荷只存在于其金属表面,不会对封闭体内部的物体产生任何影响。为了证实这个论点,我搭建了一个由金属外壳构成的房间,并电击房间外壳,验电器显示,房间内部没有出现多余的电荷,房间的金属外壳对其内部起到了保护作用……听说,后来人们叫它“法拉第笼”!

法拉第笼能干点儿啥?

高压电工作服:高压带电作业操作员的防护服就是用金属丝制成的,当接触高压线时,形成了等电势,使得作业人员的身体没有电流通过,起到了很好的保护作用,可称之为“铁布衫”。

飞机:根据统计,飞机每行驶十几万千米后就会遭受一次雷击,但是不会带来灾难性的后果。这是因为飞机外壳为金属材料,具有“法拉第笼”效应,对雷击具有良好的屏蔽效果。

汽车防雷装置:由金属构成框架的汽车也类似一个“法拉第笼”,形成等电势连接,电流通过车体和雨水泄放入地,车体内部的驾驶员和乘客不会受到雷击的影响。

建筑物:容易遭受雷击的高大建筑物,都会利用法拉第笼的原理建立笼式避雷网。如我国鸟巢体育场,其主体钢结构中的钢构件以及钢筋混凝土中的钢筋,通过焊接方式进行有效连接,形成巨大的避雷网——接闪装置,保证观众的安全。

法拉第笼不能屏蔽静电和低速变化的磁场,无法有效避免辐射,所以不要相信网络上贩卖的那些所谓屏蔽路由器辐射的法拉第笼!

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