浅谈电学在生活中的应用

任迎春

【摘 要】电学知识在日常生活中的广泛应用，给人们带来了巨大的方便，比如远距离输电的效率问题，尖端放电和避雷针，静电复印等，通过电学应用原理的逐步掌握，将其运用到人们的日常生活中，为人类造福。

【关键词】电学；生活；应用

一、高压输电线路的发热问题

便于远距离输送是电能的优点之一。但是输电的过程是一个复杂的过程，既要保证输电效率高，又要考虑输送的安全性，可靠性和经济性等等因素。

为什么远距离输电要用高压输送而不用220V的民用低压输送？先来分析送点过程：输电→导线（电阻）→发热→损失电能→减小损失。要达到送电效率高、损失小的目的，就要设计好送电线路。输电要用导线实际上，导线都是有电阻的，如果导线很短，电阻则很小可忽略，而远距离输电时，导线很长，电阻已达到不能忽略。电流通过很长的导线要发出大量的热。

计算来证明：如果一定长度的高压输电线电阻为100Ω，输电线路上的电流是100A，那么每秒钟导热线发热量是多少？

由焦耳定律：

Q=I2Rt

式中：Q：发热量-单位J（焦耳）；I：电流-单位A（安培）；t：通电时间-单位（s）秒。

算出发热量为：

Q=I2Rt=1002×100×1=1000000J=1000KJ

1.000千焦，短短的一秒钟产生的热量就有这样多。这些热，一部分散失到大气中，白白损失了电能；而另外一部分，则使得导线发热，破坏了导线的绝缘性能，甚至会对导线本身造成直接的损害。所以，输电时，必须减小导线发热损失，提高送电效率，保护输电路线，让更多能量进入到用户。

如何減小导线发热呢？针对焦耳定律中的三个参数；通电时间、线路电阻、输电电流。可得知，减小导线发热，有以下三种方法：一是减小输电时间，二是减小输电线电阻，三是减小输电电流。那种方法更有效？

电力系统是必须保证对用户的时时刻刻的供电，所以，第一种方法等于停电，没有实用价值。

第二种方法从导线的材料、长度、横截面积三方面来设计，从电阻定律公式：

R=ρ

式中：ρ：电阻率，体现材料的导电性能；1：导线长度，在输电过程中由输送的距离决定，单位M（米）；S：导线横截面积，单位m2（平方米）。

减小导线的长度，自然可以降低电阻，然而远距离输电的导线长度，一般都是无可更改，最多只能在实际走线中尽量设计最优化的路径，但其可变范围微乎其微；增大导线的横截面积，理论上也可以减小电阻，但此改变却关系到导线自身的承重能力，金属材料的消耗等等原因，是不可随意增大的；而选用电阻率小的材料，这是现代电力系统已经尽力去完成的指标，一般选用铝线或者铜线作为导线材料，其电阻已经很小。因此减小电阻的方法，可控范围其实很小。

最容易的方法就是第三种方法了：即减小输电线路上通过的电流。从焦耳定律公式可以看出，第三种办法是很有效的：电流减小一半，损失的电能就降为原来的四分之一。但是要如何才能做到减小电流呢？根据输送功率于输送电压和电流的关系：

P=UI

式中：P：输送功率，单位W（瓦）；U：输送电压，单位V（伏特）；I：输电线路上的电流，单位A（安培）。

此式表明，在需要输送的功率一定的情况下，只要提高输电的电压，就能降低输电线路上的电流。

因此在发电站都要安装用来升压的变压器，实现高压输电。高压输电可以保证在输送功率不变，减小输电电流来减小输送电的电能损失，减小输电导线上的功率损失，达到较高的送电效率。用以下例子计算比较采用高压输电和低压输电的功率损耗的区别。

例如：输电线的电压为1.0Ω，输送的电功率为100KW，计算用400V的低压送电，输电线上的发热损失的功率是多少？若改用10KV的高压送电，损失的功率又是多少？

a）解：计算送电导线上的电流：采用400伏特送电时送电线路上的电流I1=p/u1=100000w/400v=250A

所以，发热引起的功率损耗

P1=I12R=（250）2×1.0W=62500W

b）采用10000伏特高压送电时送电线路上面的电流

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

所以，发热引起的功率损耗

P2=I22R=（10）2×1.0w=100w

比较以上两种送电方式，结论明显，采用高压送电的功率损耗远远低于低压送电的功率损耗。所以，高压送电是科学提高用电效率的最好方法。因为用户只能用抵压电压，所以在用户端要安装降压变压器。即发电厂→升压变压器→高压输电线→降压变压器→用户单位。

二、尖端放电和避雷针

趣味物理现象“电风转筒”，“电风吹烛”的直观展现及教科书知识的学习，其实就是尖端放电的过程，下面向大家更加科学的解释尖端放电的奥秘，揭开它的神秘面纱。

导体上的静电荷总是分布在外表面上，而且一般来说分布不均匀，导体尖端的电荷特别密集，所以尖端附近的空气中的电场特别强。通常情况下空气是不导电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负电荷受到方向相反的强电场力，有可能被“撕”开，这种现象叫做空气的电离，由于电离后的空气有了自由移动的电荷，空气电离后产生正负电子，空气就可以导电了，这时便产生了尖端放电现象。尖端放电在高压输电导线和高压设备的金属元件，表面要做得很圆滑，为的是避免因尖端放电而损失电能或造成事故。

为了避免雷击，人们设计针状金属物，装在建筑物的顶端，用粗导线与埋在地下的金属板相连，当带电云层接近时，大地中的异种电荷被吸引到避雷针的尖端，并由于尖端放电而释放到空气中，与云层中的电荷中和，达到避雷的目的。在强电场作用下，物体表面曲率大的地方（如尖锐、细小物的顶端），等电位面密，电场强度剧增，致使它附近的空气被电离而产生气体放电，此现象称电晕放电。对于电风转筒，气体在高电压静电场的作用下产生电离，带正电的离子集体流向尖形电极的负极，带负电的离子集体流向尖形电极的正极，从而带动塑料圆筒旋转。而电风吹烛，在尖端附近强电场的作用下，空气中散存的带电粒子加速运动，并获得足够大的能量，以至它们和空气分子碰撞时，能使后者离解成电子和离子，这些新电子和离子与其它空气分子碰撞时，又能产生大量新的带电粒子。与尖端上电荷异号的带电粒子受尖端电荷的吸引，飞向尖端，使尖端上的电荷被中和掉；与尖端上电荷同号的带电粒子受到排斥而从尖端附近飞开，蜡烛火焰的偏斜就是受到这种离子流形成的“电风”吹动的结果。实验中，不断给导体充电，可防止尖端上的电荷因中和而逐渐消失，使“电风”持续一段。

三、静电复印

静电复印机可以迅速、方便地把图象、资料复印到纸上，其中心部件是一个可以旋转的接地铝辊，表面镀有一层半导体硒，半导体硒有一种特殊的光电性质，没有光线照射时是很好的绝缘体，能保持电荷，受到光线照射时，立即变成导体，将它上面的电荷立即导走。

转鼓的特性只有在带电的情况下才能表现出来，转鼓的带电过程是在暗室中进行的，高压直流电通过金属丝或者是针制作成的电极，产生电晕放电。转鼓和电极保持一定的距离做相对的运动，就能使转鼓表面带上正电荷（即静电荷，正与负都可以的，只是正电荷的性能更好一些）这个过程叫做充电。

用照相的方法把原稿的图像，通过光学系统（照相镜头，反光镜，照明灯等）变成光像照射在充了电的转鼓上，受光照的部分就成为导体，所带的电荷消失，未受光照的部分（即相对于原稿中图形文字部分仍然是绝缘体）保留着电荷。这就是转鼓表面上形成了一个由正电荷组成的和原稿一样但是相反的图像。这个看不见的图像叫做静电潜影，这个过程就是所说的“曝光”。

把显影剂撒在转鼓表面上，显影剂中的墨粉带有负电荷，很容易吸附在正极性的静电潜像上，静电潜像借墨粉显现出来，这个就是显影过程。

普通纸和转鼓贴在一起，用转鼓充电的同样方法和极性对纸进行充电，纸就带上了正电极的电荷，纸上的电场比转鼓上的电场强些，墨粉就可以从转鼓上被吸附到纸上了，通常叫做“转印”。

吸附在纸上的墨粉图像不能持久，把有墨粉图像的纸经过加热，墨粉溶化浸入纸中，图像就固定了，这个叫做定影。整个复制过程就完成了，转鼓经过充电消去残余的正电荷，叫消电，清扫残留的墨粉叫做清洁，这两个步骤完成以后，才能再次使用。

对于自然及各种物理现象，如果我们能准确把握它们的规律，并合理利用，运用，就会给人类的生活带来极大的便利，造福亘远。而若忽视它们或不合理的滥用，即使是不起眼的事情，亦会造成灭顶之灾。在日常生活中，正确应用好电学知识，造福人类，希望大家趋利避害，享受它带来的便利时，也要注意它的危害，避免灾难发生。

参考文献：

[1]习岗.大学基础物理学[M].高等教育出版社，2008.

[2]邵长泰.物理基础版[M].高等教育出版社出版，2005.

[3]张巍山.电工基础[M].中国电力出版社.

[4]赵建彬.高职物理学[M].教材机械工业出版社出版.