101个科学效应和现象详解(4)

2019-08-30 13:37

53、火花放电(spark discharge)

在电势差较高的正负带电区域之间,发出闪光并发出声响的短时间气体放电现象。在放电空间,气体分子发生电离,气体迅速而剧烈发热,发出闪光和声响。例如,当2个带电导体互相靠近到一定距离时,就会在其间发生火花和声响(它们的电势差越大,则这种现象愈显著),结果2个导体所带的电荷几乎全部消失。实质上分立的异性电聚积至足够量时,电荷突破它们之间的绝缘体而中和的现象就是放电。而中和时发生火花的就叫“火花放电”。在阴雨天气,带电的云接近地面,由于感应作用,在云和地之间发生火花放电即为“落雷”。由于它们之间电势差非常之大,所以这种放电的危害特别大,它可以破坏建筑物,打死人和牲畜。高大建筑物均装有避雷针就是为了对落雷的防范。在日常生活中,我们往往看到运送汽油的汽车,在它的尾部,总是有一根铁链在地上拖着走,这根铁链不是多余的而是起着很重要的作用。运汽油的车中装载的是汽油,汽车在开动的时候,里面装着汽油也不停地晃动,晃动的结果,会使汽油跟油槽的壁发生碰撞和摩擦,这样就会使油槽带电,因为汽车的轮胎的橡胶,是绝缘体,油槽里发生的电荷不可能通过轮胎传到地下,这样电荷就会集聚起来,甚至有时会发生电火花。遇到火花,汽油很容易发生爆炸。为了防止这一危险,采用拖在汽车后面的铁链来作导电工具,使产生的电荷不能集聚。

54、霍耳效应(Hall effect)

通有电流的金属或半导体放置在与电流方向垂直的磁场中时,在垂直于电流和磁场方向上的两个侧面间产生电势差的现象,1879年由E.H.霍耳首先发现。

霍耳效应可用载流子受洛仑兹力作用来解释。当载流子当正电时,所受洛仑兹力()使正电荷向A面偏转,造成A、A’两面上的电荷积累,从而形成电势差,在体内产生一横向电场(E),称霍耳电场。若载流子带负电,则霍耳电场反向。当载流子所受的霍耳电场力与洛仑兹力达到平衡时,载流子不在偏转,霍耳电场具有恒定的值。霍耳电场(E)与电流密度(J)和磁感应强度(B)的乘积成正比,即E=RJB,比例系数R称为霍耳系数。当只有一种载流子时,霍耳系数的大小与载流子的浓度成反比,其正负决定于载流子是带正电还是带负电。金属中的载流子是带负电的电子,霍耳系数一般为负值(也有例外,需用能带理论解释)。N型半导体和P型半导体的载流子分别是电子和带正电的空穴(见半导体),所以霍耳系数分别为负值和正值。半导体中载流子的浓度与温度有明显的依赖关系,故其霍耳系数与温度有关。因半导体中的载流子浓度比金属中自由电子的浓度低,故半导体的霍耳系数比金属的要大,霍耳效应也比金属要明显得多。电子(或空穴)的实际速度有一定分布,速度较小的电子所受洛仑兹力小于横向电场力,速度较大的电子则相反,它们都要产生偏转,这等效于电阻增大,这种由于存在磁场而使电阻增加的现象称为磁阻效应。20世纪80年代发现,在强磁场作用下,随着磁场的变化,半导体结的霍耳系数作阶梯式变化,即式中n为整数或有理分数,h为普朗克常数,e为电子电量,此现象称为电子霍耳效应。

霍耳效应常用来鉴定半导体的导电类型,用半导体材料制成的霍耳元件已应用于许多技术领域,如测定磁场、电流强度和电功率;把直流电流转换成交流电流或对电流进行调制;把各种物理量转换成电流信号后进行运算等。

利用霍耳效应制成的霍耳器件,如磁强计、安培计、瓦特计、磁罗盘等,可以测量各种物理量,如已知试件尺寸、磁场强度和电流,测量霍耳电动势即可求得试件的载流子浓度,简单迅速。利用霍耳效应还可测量磁场强度、几千安培以上的大电流,制作使信号沿单一方向传输的旋转器、单向器和环行器等。制造霍耳器件的半导体材料主要是锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟等。用硅外延或离子注入方法制作的薄膜霍耳器件可以和集成电路工艺相容。将霍耳器件和差分放大器及其他电路做在一个硅片上,可缩小尺寸、提高灵敏度、减小失调电压,便于大量生产。

55、霍普金森效应(Hopkinson effect)

霍普金森效应是由霍普金森于1889年发现的。霍普金森效应可在铁和镍的单晶、多晶样本中观察到,也可在很多铁磁合金中观察到。

霍普金森效应由以下3点组成:

1)将铁磁物质放入弱磁场,导磁性会在居里点附近出现急剧增大; 2)导磁率对温度的最大依赖关系,是由于处于居里点附近的铁磁物质的磁各向异性

的戏剧性减少而导致的;

3)在居里点附近,因为铁磁物质自然磁化的消失,将使导磁性减小。

56、加热(heating)

增加物体温度的过程称为加热,也就是将能量转化为物体或物体系统的热的形式。

57、焦耳-楞次定律(Jorle-Lenz law)

1840年,焦耳把环形线圈放入装水的试管内,测量不同电流强度和电阻时的水温。通过这一实验,他发现:导体在一定时间内放出的热量与导体的电阻及电流强度的平方成正比。同年12月焦耳在英国皇家学会上宣读了关于电流生热的论文,提出电流通过导体产生热量的定律,由于不久之后,俄国物理学家楞次也独立发现了同样的定律,该定律被称为焦耳-楞次定律。

58、焦耳-汤姆逊效应(Joule-Thomson effect)

气体经过绝热节流过程后温度发生变化的现象,称为“焦耳-汤姆逊效应”。当气流达到稳定状态时,实验指出,对于一切临界温度不太低的气体(如氮、氧、空气等)经节流膨胀后温度都要降低;而对于临界温度很低的气体(如氢)经节流膨胀后温度反而会升高。气体经过节流膨胀过程而发生温度变化的现象,称为焦耳-汤姆逊效应。在通常温度下,许多气体都可以通过节流膨胀使温度降低,冷却而成为液体。工业上就利用这种效应制备液化气体。

正焦耳-汤姆逊效应:在焦耳-汤姆逊系数α>0时,气体通过节流,凡膨胀后温度降低者,称“正焦耳-汤姆逊效应”,亦称致冷效应。

负焦耳-汤姆逊效应:在焦耳-汤姆逊系数α<0时,气体通过节流,凡膨胀后温度升高者,称“负焦耳-汤姆逊效应”。

59、金属覆层润滑剂(metal-cladding lubricants)

金属有机化合物中的金属会在高温下获得释放。金属覆层润滑剂中含有金属有机化合物,这种润滑剂是依靠零件间的摩擦力来进行加热的,然后,金属有机化合物将产生分解,释放出金属,释放的金属会填充到零件表面的不平整部位,以此来减少零件间的摩擦力。

60、居里效应(Curie effect)

比埃尔·居里(1859-1906年)法国物理学家。早期的主要贡献为确定磁性物质的转变温度(居里点),对于铁磁物质来说,由于有磁畴的存在,因此在外加的交变磁场的作用下将产生磁滞现象。磁滞回线就是磁滞现象的主要表现。如果将铁磁物质加热到一定温度,由于金属点阵中的热运动加剧,磁畴遭到破坏时,铁磁物质将转变为顺磁物质,磁滞现象消失,铁磁物质这一转变温度称为居里点温度。

不同的铁磁物质,居里点不同。铁的居里点为769℃;钴是1131℃;镍的居里点较低为358℃;锰锌铁氧体的居里点只有215℃,比较低,磁通密度、导磁率和损耗都随温度发生变化,除正常温度25℃而外,还要给出60℃、80℃、100℃时的各种参数数据。因此,锰锌铁氧体磁芯的工作温度一般限制在100℃以下,也就是环境温度为40℃时,温升必须低于60℃。钴基非晶合金的居里点为205℃,也低,使用温度也限制在100℃以下。铁基非晶合金的居里点为370℃,可以在150℃~250℃以下使用。高磁导坡莫合金的居里点为460℃至480℃,可以在200℃~250℃以下使用。微晶纳米晶合金的居里点为600℃,取向硅钢居里点为730℃,可以在300℃~400℃61以下使用

61、克尔效应(Kerr effect)

电光克尔效应:1875年英国物理学家J.克尔发现,玻璃板在强电场作用下具有双折射性质,称克尔效应。后来发现多种液体和气体都能产生克尔效应。

观察克尔效应:内盛某种液体(如硝基苯)的玻璃盒子称为克尔盒,盒内装有平行板电容器,加电压后产生横向电场。克尔盒放置在两正交偏振片之间。无电场时,液体为各向同性,光不能通过P2,存在电场时液体具有了单轴晶体的性质,光轴沿电场方向,此时有光通过P2.实验表明,在电场作用下,主折射率之差与电场强度的平方成正比。电场改变时,通过P2的光强跟着变化,故克尔效应可用来对光波进行调制。液体在电场作用下产生极化,

这是产生双折射的原因。电场的极化作用非常迅速,在加电场后不到109秒内就可完成极化过程,撤去电场后在同样短的时间内重新变为各向同性。克尔效应的这种迅速动作的性质可用来制造几乎无惯性的光的开关——光闸,在高速摄影、光速测量和激光技术中获得了重要应用。

磁光克尔效应:入射的线偏振光在已磁化的物质表面反射时,振动面发生旋转的现象,1876年由J·克尔发现,克尔磁光效应分极向、纵向和横向3种,分别对应物质的磁化强度与反射表面垂直、与表面和入射面平行、与表面平行而与入射面垂直3种情形。极向和纵向克尔磁光效应的磁致旋光都正比于磁化强度,一般极向的效应最强,纵向次之,横向则无明显的磁致旋光。克尔磁光效应的最重要应用是观察铁磁体的磁畴。不同的磁畴有不同的自发磁化方向,引起反射光振动面的不同旋转,通过偏振片观察反射光时,将观察到与各磁畴对应的明暗不同的区域。用此方法还可对磁畴变化作动态观察。

62、扩散(diffusion)

由于粒子(原子、分子或分子集团)的热运动自发地产生物质迁移现象叫“扩散”。扩散可以在同一物质的一相或固、液、气多相间进行。也可以在不同的固体、液体和气体间进行。主要由于浓度或温度所引起。一般是从浓度较大的区域向浓度较小的区域扩散,直到相内各部分的浓度达到均匀或两相间的浓度达到平衡时为止。物质直接互相接触时,称自由扩散。若扩散是经过隔离物质进行时,则称为渗透。

在自然界中扩散现象起着很大的作用。它使整个地球表面附近的大气保持相同的成分;土壤里所含有的各种盐类溶液的扩散,便于植物吸收,以利生长。此外在半导体、冶金等很多行业都应用扩散,以达目的。扩散、热传导和粘性通称为输运现象,其分别将物质(质量)、热能、动能由一个位置移至另一位置,从而达到浓度或温度的均匀。

63、冷却(cooling)

将物体或系统的热量带走,降低物体温度的过程称为冷却。

64、洛仑兹力(Lorentz force)

磁场对运动点电荷的作用力。1895年荷兰物理学家H.A.洛仑兹建立经典电子论时,作为基本假设提出来的,现已被大量实验证实。

洛仑兹力的公式是:f?qvBsin?式中q、v分别是点电荷的电量和速度;B是点电荷所在处的磁感应强度;θ是v和B的夹角。洛仑兹力的方向循右手螺旋定则垂直于v和B构成的平面,为由v转向B的右手螺旋的前进方向(若q为负电荷,则反向)。由于洛仑兹力始终垂直于电荷的运动方向,所以它对电荷不作功,不改变运动电荷的速率和动能,只能改变电荷的运动方向使之偏转。

洛仑兹力既适用于宏观电荷,也适用于微观电荷粒子。电流元在磁场中所受安培力就是其中运动电荷所受洛仑兹力的宏观表现。导体回路在恒定磁场中运动,使其中磁通量变化而产生的动生电动势也是洛仑兹力的结果,洛仑兹力是产生动生电动势的非静电力。如果电场E和磁场B并存,则运动点电荷受力为电场力和磁场力之和,即f?q(E?v?B),此式一

般也称为洛仑兹力公式。

洛仑兹公式和麦克斯韦方程组以及介质方程一起构成了经典电动力学的基础。在许多科学仪器和工业设备,例如谱仪、质谱仪、粒子加速器、电子显微镜,磁镜装置,霍耳器件中洛仑兹力都有广泛应用。

值得指出的是,既然安培力是洛仑兹力的宏观表现,洛仑兹力对运动电荷不做功,何以安培力能对载流导线做功呢?实际上洛仑兹力起了传递能量的作用,它的一部分阻碍电荷运动做负功,另一部分构成安培力对载流导线做正功,结果仍是由维持电流的电源提供了能量。

65、毛细现象(capillary phenomena)

毛细管:凡内径很细的管子都叫“毛细管“。通常指的是等于或小于1毫米的细管,因管径有的细如毛发故称毛细管。例如,水银温度计、钢笔尖部的狭缝、毛巾和吸墨纸纤维间的缝隙、土壤结构中的细隙以及植物的根、茎、叶的脉络等,都可认为是毛细管。

毛细现象:插入液体中的毛细管,管内外的液面会出现高差。当浸润管壁的液体在毛细管中上升(即管内液面高于管外)或当不浸润管壁的液体在毛细管中下降(即管内液面低于管外),这种现象叫做“毛细现象“。产生毛细现象原因之一是由于附着层中分子的附着力与内聚力的作用,造成浸润或不浸润,因而使毛细管中的液面呈现弯月形。原因之二是由于存在表面张力,从而使弯曲液面产生附加压强。由于弯月面的形成,使得沿液面切面方向作用的表面张力的合力,在凸弯月面处指向液体内部;在凹弯月面处指向液体外部。由于合力的作用使弯月面下液体的压强发生了变化,对液体产生一个附加压强,凸弯月面下液体的压强大于水平液面的压强,而凹弯月面下液体的压强小于水平液面下液体的压强。根据在盛着同一液体的连通管中,同一高度处各点的压强都相等的道理,因此,当毛细管里的液面是凹弯月面时,液体不断地上升,直到上升液柱的静压抵消了附加压强为止;同样,当液面呈凸弯月面时,毛细管里的液体也将下降。

当液体浸润管壁致使跟管壁接触的液面是竖直的,而且表面张力的合力也竖直向上时,若毛细管内半径为r,液体表面张力系数是σ,沿周界2πr作用的表面张力的合力等于2πrσ。在液面停止上升时,此一作用力恰好跟毛细管中液柱的重量相平衡。若液柱上升高度为h,液体密度是ρ则得:2?r???rh?g

因而液柱上升高度:h?2? r?g66、摩擦力(friction)

相互接触的2物体在接触面上发生的阻碍该2物体相对运动的力称之为“摩擦力”。另有2种说法:一个物体沿着另一个物体表面有运动趋势时,或一个物体在另一个物体的表面滑动时,都会在2物体的接触面上产生一种力,这种力叫做摩擦力;相互接触的2个物体,如果有相对运动或相对运动的趋势,则2物体的接触面上就会产生阻碍相对运动趋势的力,这种力叫做摩擦力。

按上述定义,摩擦力可分为静摩擦力和滑动摩擦力。2个接触着的物体,有相对滑动的趋势时,物体之间就会出现一种阻碍启动的力,这种力叫静摩擦力。2个接触着的物体,有了沿接触面的相对滑动,在接触面上就会产生阻碍相对滑动的力,这种力叫做滑动摩擦力因此不能把摩擦力只看作是一种阻力。有时可以是动力。例如,放在卡车上的货物,是随卡车一起加速运动时,货物受到静摩擦力,是阻碍它和卡车相对滑动趋势的,但却是它获得加速度的动力。若卡车有足够大的加速度,货物和卡车之间就出现了相对滑动,这时货物受到滑动摩擦力,就是阻碍它和卡车做相对滑动的,但摩擦力仍是货物作加速运动的动力。

滑动摩擦力总是与物体滑动的方向相反。但是,静摩擦力是阻碍2个物体发生相对滑动

的力,到底与物体相对运动的方向(以地球作参照物)是相同还是相反,应看问题的性质来定。例如,货物在传送带上随皮带一起以一定速度作匀速直线运动。货物与皮带的速度相同,没有相对运动趋势,所以货物与皮带之间没有产生静摩擦力。当皮带作加速运动时,货物所受的静摩擦力的方向(以地球作参照物)与运动的方向相同的。若皮带作减速运动,皮带对汉武帝静摩擦力方向与运动方向相反。

摩擦力的大小,跟相互接触问题的性质,及其表面的光滑程度和物体间正压力有关,一般地说,和接触面积无关。经研究表明:两者实际接触部分的面积越大,其摩擦力也越大。而两者的实际接触面积只跟正压力的大小、物体表面的粗糙程度和材料的性质有关,跟它们的表观接触面积无关。在物体表面粗糙程度和材料性质不变的情况下,正压力越大,实际接触面积也越大,摩擦力也越大;正压力相同时,改变物体间的表观接触面积,例如,将平面上的砖竖放改变为平放,并不改变实际的压力,摩擦力保持不变。因此,在一般情况下,摩擦力跟物体的表观接触面积无关。

67、珀耳帖效应(Peltier effect)

1834年,法国科学家珀耳帖发现:当2种不同属性的金属材料或半导体材料互相紧密联结在一起的时候,在它们的两端通进直流电后,只要变换直流电的方向,在它们的街头处,就会相应出现吸收或者放出热量的物理,于是起到制冷或制热的效果,这就叫做“〔珀耳帖效应”。珀耳帖冷却是运用“珀耳帖效应”,即组合不同种类的2种金属,通电时一方发热而另一方吸收热量的方式。因此,应用珀耳帖效应制成的半导体制冷器,就能制造出不需要制冷剂、制冷速度快、无噪声、体积小、可靠性高的绿色电冰箱。

68、起电(electrification)

起电,人类在很早以前就知道琥珀摩擦后具有吸引稻草片或羽毛屑等轻小物体的特性。物体具有吸引其他物体的这种性质叫做“物体带电”或称“物体有了电荷”。并认识到电有正负2种;同性相斥,异性相吸。当时并不知道电是实物的一种属性,认为电是附着在物体上的,因而把它称为电荷,并把具有这种斥力或引力的物体称为导电体。习惯上经常也把带电体本身简称为电荷。近代科学证明:构成实物的许多基本粒子都是带电的,如质子带正电,电子带负电,质子和电子具有的绝对电量是相等的,是电量的最小单位。一切物质都是由大量原子构成,原子又是由带正电的原子核和带负电的电子组成。通常,同一个原子中的正负电量相等,因此在正常情况下表现为中性的或不带电的。若由于某些原因(如摩擦、受热或化学变化等)而失去一部分电子,就带正电,若得到额外的电子时,就带负电。用丝绸摩擦玻璃棒,玻璃棒就失去电子而带正电,丝绸得到电子而带负电。

摩擦起电:2种不同物体相互摩擦后,分别带有正电和负电的现象。其原因是,当物体相互摩擦时电子由一个物体转移到另一个物体上,因此原来2个不带电的物体因摩擦而带电,它们所带的电量数值上相等,性质上相异。

静电感应:在带电体附加的导体,受带电体的影响在其表面的不同部分出现正负电荷的现象叫做“静电感应”。因为在带电体电场作用下,导体中的自由电子进行重新分布,造成导体内的电场随之而变化,直到抵消了带电体电场的影响,使它的强度减小到另为止。结果靠近带电体的一端出现与带电体异号的电荷,另一端出现与带电体同号的电荷。如果导体原理不带电,则两端带电数量相等;如果导体原来带电,则两端电量的代数和应与导体原带电量相等。在带电体附近的导体因静电感应而表面出现电荷的现象称为“感生电荷”。

69、气穴现象(cavitation)

气穴来自拉丁文“cavitus”,指空虚、空处的意思。气穴现象是由于机械力,如由船用的旋转机械力产生的致使液体中的低压气泡突然形成并破裂的现象。

水的气穴现象就是指冲击波到达水面后,使水面快速上升,并在一定的水域内产生很多空泡层,最上层的空泡层最厚,向下逐渐变薄。随着静水压力的增加,超过一定的深度后,


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