科技馆电磁展品的奥秘
2014-12-10 18:11阅读：
每当我们随便走进一个稍具规模的科技馆，那些有着诡异魔力的电磁类展品是最吸引我们眼球的，比如静电滚球、法拉第笼、无形的力、旋转的金蛋等等。电磁展品的背后隐含的是看不见摸不着的“电”与“磁”这两种物质。电磁转换，幻化于无形之间，最充分地体现了人类目力之外的神奇世界。放眼苍茫大地，我们生活在电场和磁场之中，万物无出其右；抬头看天，星空浩瀚，又有多少未知之谜。下面就让我们走进电磁科学，大致了解和探索一下电和磁的奥秘吧。
中国古代关于电磁的记载有不少，春秋《管子·地数》中就有记载“上有慈石，其下有铜金”，这是我国古代最早关于磁石的记载。战国时期的《韩非子·有度》中记载有“先王立司南以端朝夕”，这是现今知道的最早关于司南的记载。这里我们看到有一个有趣的现象，中国古代用“慈”代替“磁”，这其中的原因在《吕氏春秋训解》中就有记载，书中认为：某种石头，是从铁里提炼出来的，这种石头是铁的母亲，既然是慈母，就能吸引自己的儿子，这是对磁石能吸引铁而别的石头不能吸引铁的解释，同时也由此得到了“磁”字。
下面，我们来看看西方人是如何发明“电”和“磁”的。我们都知道，在西方，是古希腊人最早发现了静电现象，他们用琥珀摩擦毛皮，发现被摩擦过的琥珀能够吸引轻小物体，后来英国物理学家吉伯经过大量的实验，发现除了琥珀外，还有很多物体经过摩擦后都可以吸引轻小物体，他就把这类物体都叫做“琥珀体”。这就是英文中“电”这个单词的词根。后来吉伯通过大量实验发现琥珀对轻小物体的吸引和磁石对铁的吸引是两个不一样的东西，一个需要通过摩擦，而另一个则可以始终吸引铁，这两样神奇的发现便是“静电”与“磁”。吉伯也因此发明了最早的验电器。
虽然吉伯的成就非常大，但是他却有不足之处，吉伯认为带电体可以吸引轻小物体，并且从不排斥。而后来的著名科学家卡比奥则发现，当他用带电体来吸引轻小物体
的时候，小物体先是飞快地被吸引，而后又飞快地被弹开了，他由此发现了电的排斥现象。后来戈登受此启发，制作了静电铃，而咱们聪明的科技馆人又受同样的原理启发，制作了“静电滚球”这件展品。
随后，莱顿城的科学家穆欣布罗克鉴于带电体所带的电在空气中会逐渐消失，想找出保存电的方法，后来便发明了莱顿瓶，实现了电的存储。由于莱顿瓶可以产生强烈的电击和火花，也引来了王公贵族和一般市民的兴趣，所以在当时的欧洲，非常时兴电学表演，不仅在实验室、集会厅，还是街头都在表演，还有人以此为业。
再后来，著名的物理学家、政治家富兰克林提出了关于电荷守恒的论断，他认为一个呈电中性的物体是由于正电荷和负电荷数目相等。而后来在1752年，他带着他的儿子在一个风雨交加的夜晚成功完成了著名的风筝实验，他用一只风筝把天空的雷电引了下来，发现了雷电就是一种静电现象，它彻底揭开了雷电的神秘面纱，是人类认识自然史上的一个划时代的进步。而后的富兰克林因为发现尖端物体更能聚集电荷，并产生尖端放电现象，便制作了避雷针。
18世纪，西方有些自然哲学家猜想，电和磁之间可能有某种联系，这些猜想源于闪电引起的某些现象。比如1731年的一次大雷雨，有一间屋子被雷击毁了一角，这个角落里的碗柜被击毁，事后主人在收拾残局时发现，被雷击的刀子竟然能吸引铁钉。后来，奥斯特利用通电导线下方放置小磁针的实验，验证了电流的磁效应，即通电导体周围会产生磁场，能使小磁针偏转。
为了验证奥斯特的电流磁效应理论，法拉第制作了电磁旋转器。这是最早的电动机的雏形。他提出了“由电生磁，由磁生电”的大胆设想，并验证了它。
从电和磁的发现过程中我们可以看到，电磁学知识尽管比较深奥，但它是一个系统的知识，如果能按逻辑系统进行学习还是可以探索出其中的奥秘。下面我们就来简单了解一下科技馆最常见的几件电磁类展品的工作原理以及它们在现实生活中的应用。
一、静电滚球。按下按钮，圆盘上的小球会在边缘金属条与中心球之间来回滚动碰撞。这是因为展品的静电发生装置使中心球产生高压静电，由于静电感应起电的原理，使得小球的不同部位带上了不同的电荷，其中朝向中心电极这一面带上了与中心电极相反的电荷，由于异性电荷相吸，小球就会滚向中心电极。而它们接触后，小球就会获取与中心电极相同的电荷，随后小球就会在静电斥力作用下滚向圆台边缘，在边缘的内侧装有金属条，当小球接触后会失去本身的电荷，恢复到最初的状态，同时新一轮的静电感应再次出现，这样周而复始使得小球不断在中心和边缘之间来回滚动碰撞。
二、法拉第笼。这是一个由金属或者良导体形成的笼子，是以电磁学的奠基人、英国物理学家迈克尔·法拉第的姓氏命名的一种用于演示等电势、静电屏蔽和高压带电作业原理的设备。它是由笼体、高压电源、电压显示器和控制部分组成，其笼体与大地连通，观众进入笼体后，操作员接通电源，用放电杆接触笼体进行放电演示，瞬时火花四溅，但笼内人员绝不会触电。
这是因为外壳接地的法拉第笼可以有效地隔绝笼体内外的电场和电磁波干扰，这种现象叫做“静电屏蔽”。运用这个原理，科学技术人员将许多精密仪器设备的金属外壳接地，有效地避免了不必要的电磁干扰以及雷电袭击。高压带电操作员的防护服是用金属丝制成的，当接触高压线时，形成了等电位，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。如汽车就是一个法拉第笼，由于汽车外壳是个大金属壳，形成了一个等位体，当驾驶员在雷雨天行驶时，车里的人不用担心遭到雷击。但其静电屏蔽作用有时也会带来麻烦，如果电梯内没有中继器的话，当电梯关上的时候，手机信号会很不好，这就是电梯的屏蔽作用造成的。
三、无形的力。一个金属环在通电以后会悬浮起来。这是因为交流电通过线圈后产生交变磁场，套在铁芯上的小金属环中产生感应电流——涡流，感应电流磁场的方向与线圈磁场的方向相反，相互排斥使铜环飞离开，当金属环电磁斥力作用时间大于引力的作用时间，这时金属环就悬浮并稳定在自身重力平衡的高度上，同时金属环会发热。家用电磁炉也是这个原理，它采用磁场感应电流（又称为涡流）的加热原理。它是通过电子线路板组成部分产生交变磁场，当含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生交变的电流（即涡流），涡流使锅具铁分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能。
四、旋转的金蛋。也叫特斯拉的旋转铁蛋，通电后，铁蛋慢慢就自己旋转起来了。这个展品的原理是把三相异步交流电机的定子绕组改成平面的，通电后就会生成平面的旋转磁场，用纯金属的蛋形物体置于其上，在旋转磁场的影响下，金属蛋切割磁感线，生成感应电动势，并生成与定子磁场相对应的电磁转矩，所以就转了起来。后来这个金属蛋被改造制成了电动机中的转子，特斯拉就是利用三相交流电来模拟转动磁铁所形成的旋转磁场。
同样线圈炮也是这个原理，又称交流同轴线圈炮．它是电磁炮的最早形式，由加速线圈和弹丸线圈构成，根据通电线圈之间磁场的相互作用原理而工作的。加速线圈固定在炮管中，当它通入交变电流时，产生的交变磁场就会在弹丸线圈中产生感应电流。感应电流的磁场与加速线圈电流的磁场互相作用，产生磁场力，使弹丸加速运动并发射出去。
多么神奇的电力与磁力！可以说，正是这两种无比强大而无形的力，支撑起了我们的丰富多彩的现代生活。
