2005-04-16：发电与放电
这两天有点背，上上次考试成绩提高了一截，老师给老爸打了电话表扬我一把，结果这老两口甚是欢喜，给我开了个会，要我再接再励。
“平时多用功做点习题集，那不给你买了不少吗，没事儿别老玩儿电脑上网，老上那网有什么用啊？考学靠那个啊？” 老爸喝点小酒就爱唠叨这个。
我真受不了了，要不看在他是一家之主我非把他那箱子五粮液折马桶里。老喝那个有什么用啊？健康靠那 个啊？
耗到夜里 11 点多，我打开电脑登上 MSN，C# 已经在网上了。
师：“怎么才来？这两天干什么去了？”
我：“没事，这两天作业多了点。”
我：“上回考得不错，老爸让我再接再励，少玩电脑多做习题。”
师：“就是前天的考试？”
我：“不是，更早一次的。别提前天的考试了！”
师：“好吧，不提了。我们今天聊一下有关发电放电的内容。”
师：“所谓发电，就是让原子失掉一些电子。”
我：“就这么简单啊？有啥可说？”
师：“道理确实简单，实践起来就有的说了。”
我：“用丝绸摩擦玻璃棒，用毛皮摩擦橡胶棒。实践也很简单。”
师：“你这只是发电的方法之一。而且古希腊可没有玻璃棒橡胶棒。”
我：“想起来了，是琥珀。用狗皮摩擦琥珀，琥珀从狗皮上得到电子带负电，狗皮失去电子带正电。”
这里对正负极性的判断是否正确？
师：“有狗招你啦？你不会是恨透了楼上那条狗了吧？”
我：“它现在正叫得欢呢！你听！”
师：“我上哪儿听去啊？”
师：“摩擦能起电的一个要点就是我们借助摩擦向原子中注入了能量，从而使电子与原子核分离。”
我：“所谓‘机械能转化为电能’？别再说这些东西了行么？物理课上听够了。”
师：“这种办法形成的是‘静电’，在电子技术中这个东西是有害的。”
我：“生活中它也不是有益的吧？”
师：“光也具有能量，光线照射到某些材料也可以使电子脱离原子核的束缚。”
我：“这就是太阳能电池了吧？”
师：“对。按现代物理学的世界观，光具有‘波粒二像性’，你可以把光看作是由很多‘光子’组成的。”
我：“又得上网查了。你肯定说不清楚啥是‘波粒二像性’对不？”
师：“呵呵。你可以理解为‘光子’撞击原子后把电子从原子中撞出来。这被称为‘光电效应’。”
师：“光电效应由德国物理学家赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）发现，而爱因斯坦因为成功地从理论上解释了光电效应的原理而获得诺贝尔奖。”
我：“爱因斯坦说的‘光子撞原子’？”
师：“我只知道他解释了这个，具体怎么解释的我不清楚。”
我：“爱因斯坦因为这个获诺贝尔奖？不是相对论啊？”
师：“我们下面要讨论一个非常重要的发电方法。有一类化学反应与原子的核外电子密切相关，叫‘氧 化—还原’反应。”
我：“又是化学，这不是我强项。”
师：“比如氢气在氧气中燃烧，实际上就是两个氢原子各自献出一个电子供给一个氧原子。进而和氧原子结合在一起，成为水分子。”
我：“氧原子最外层是 6 个电子，加上两个氢原子贡献的，就是 8 个电子了，这就达到了稳定结构对吗？”
试问如此一来氢原子核外有几个电子环绕呢？
师：“你化学怎么会学的不好呢？”
师：“不说化学了。总之在这种反应之中，出现了电子的转移，这是发电的基础。”
我：“你不是说我们平时喝的水都有电吧？煤气灶点着了是在发电？”
师：“我是说这类反应是发电的基础，‘着火’不是发电，但‘长锈’的过程就是发电的过程。”
师：“我给你发个图片，你看看。”
图片来自 21ic 论坛，保存图片时未记录发布者，后期考证应该是 sharks 网友发布的。
我：“这个是什么戏法儿？”
师：“那三片水果是柠檬，上面贴了铜钥匙和硬币，底面可能贴了螺丝钉，就是锌，而柠檬中有酸。”
我：“螺丝钉不是铁么？”
师：“它表面通常会镀锌。”
师：“也没准儿是别的金属。总之它们发生化学反应的结果是令铜和锌上的一些电子被柠檬酸夺走。也就是金属被‘腐蚀’了。”
我：“那发出的电在哪儿？铜和锌失去电子带正电？柠檬得到电子带负电？”
师：“如果反应就这样进行下去是不会有电的，但我们可以用一根铜线把钥匙和锌连在一起。”
师：“这时会有个特别的现像产生，锌中的电子会沿着铜线跑到钥匙这边，从这边与柠檬酸结合。而钥匙自身的电子却不那么容易被柠檬酸夺走。”
我：“那就是螺丝钉比钥匙烂得快点？”
师：“对，螺丝钉和一些铁质水管上经常镀锌，目的就是牺牲掉锌而让铁慢点生锈。”
我：“锌失去电子带正电，钥匙带负电。”
师：“先别急着下结论。在这样的反应中，化学的能量推动电子运动，也就是转化成电能，这就是现在我们使用的电池的原型。”
我：“水果电池是吗？图片上好像有个电子表，是怎么回事？”
师：“那是一个小电脑，里面用程序给你呈现了一个电子表。这个‘柠檬电池’给它供电。”
我：“这玩意儿也是个电脑？我以为电脑都是大铁箱子的。”
师：“这个电路板背后有一颗集成电路。集成电路里面的电路结构与基本工作原理和你那大铁箱子里面是相同的。这个集成电路是由德州仪器公司设计制造的。”
我：“你能看透电路板却不能看透柠檬？不是吧？”
师：“你还真有点幽默感？！这是来自 21ic 论坛上的图片，人家原作者在论坛上发贴时说了芯片型号的，我哪儿看得见？”
我：“德州仪器？除了扒鸡外德州还能制造这么神的东西？”
师：“受不了您这点幽默感了，这个德州是美国的德克萨斯州。”
师：“你别再神侃了，说正经的。还有一种重要的发电方法，你玩过磁铁没？”
我：“玩过，从音箱的喇叭上拆下来的。针掉床底下我妈就拿这东西找。”
师：“磁铁分南北两极，同极相斥，异极相吸，这个知道吧？”
我：“知道。这好像和电很相似，只是不叫正负极。干嘛叫南极北极呢？”
师：“因为人类先观察到磁针能指南北嘛。不叫这个叫什么呢？男极女极？这只是个名字而已。”
师：“重要的是南北异极相对时它们之间有吸引力，而一个电子从相对的两极间飞过它也会受到力的作用。”
我：“那是被吸向南极还是北极呢？”
师：“都不是。如果两个磁极是一上一下，电子从中间飞过去是偏左或偏右的。（figure0011）”
我：“那到底是偏左还是偏右啊？”
师：“我不记得该怎么判断了。总之电子受力和磁极间的吸力是垂直的。”
我：“你当老师还能‘不记得了’？”
师：“如果磁性足够强劲的话电子可以转圈盘旋在两个磁极之间。”
我：“这倒有点意思。”
师：“我们把电子受到的力称为‘洛伦兹力’”
现代物理研究中常用到一种极重要的设备，叫“回旋加速器”，大家可自行了解一下。
我：“这跟发电有什么关系吗？”
师：“你可以设想如果一根铜杆横着从两磁极之间穿过，那么铜杆中那些‘自由电子’在‘洛伦兹力’的推动下就会偏到铜杆的一端。”
师：“如果磁极之外有一圈导线连着铜杆两端，这些电子就会顺着导线回到铜杆另一端，然后继续被‘洛伦兹力’推动，如此循环。”
我：“这东西也就想想罢了，能做出什么实际模型之类的么？”
师：“你肯开动想像力琢磨这个情景就行，就怕你想都不想。你可以设想用两根绳子吊着铜杆在磁极之间摆动。”
师：“这就是‘发电机’的基本原理。我们墙壁插座上出来的电就是由‘洛伦兹力’发出来的。”
我：“原理倒是不难，可我想不清楚发电机会是个什么样子，真是绳子吊起来一根杆？”
师：“那是个机械原理问题，先不必深究。肯定不是绳子吊着棍子摆来摆去。”
师：“好了，有关发电我们就讨论这些。下面来说放电。”
我：“放电就是那些被拉走的电子重新回到原子中的过程对不？”
师：“原理就是这么简单，不过从实践的角度来看还有一些可讨论的内容。”
师：“你设想一下：两个电极分别有正电和负电，也就是一个电极上缺电子另一个电极上多电子，你把它们相对放置。”
我：“两个电极互相吸引？用导线把它们连起来吗？”
师：“不连。你现在把它们慢慢靠近，距离越近吸引力越强对不？（figure0012）”
我：“对啊。近到一定程度后电子因为受引力太大就直接飞到对面去了，不用导线连接。”
师：“你还真机灵，这都想到了？”
师：“电子飞过去的速度是很快的，很有力量。它会和隔在电极中间的空气激烈摩擦碰撞，把空气分子中的电子也撞出来。形成闪光和‘噼叭’的声音。
我：“这个叫‘电离’对吗？是闪电的成因吧？”
师：“这个情形我们也说电极间的空气被‘击穿’了。”
师：“像这样激烈的放电通常不是我们需要的，必须加以避免，所以要弄清楚这种放电现像何时容易发生。”
师：“我再发你一个图（figure0013），有这样三种电极，你看看哪个容易发生这种激烈的放电。”
我：“这个我学过了，我选 C，尖端放电原理。”
师：“这回对了。尖锐的电极容易激烈放电，简称为‘尖端放电’。”
师：“所以高大的建筑物上经常看见尖儿朝上的铁叉子，那就是为吸引闪电霹铁叉子而不霹建筑。”
我：“我知道，那个是‘避雷针’。不过我觉得应该叫‘引雷针’才对。”
师：“避雷针通过电线接到了大地上，闪电打中避雷针后电流直接被引入了大地，对建筑物不会有损伤。”
我：“要这样看那么地球可以容纳很多很多的电流啊？”
师：“那些电子本来就是它的。”
师：“不早了，今天就聊这么多吧，下次我们从电池开始聊。”
我：“离欧姆定律还远着呢吧？啥时候复习完啊？”
师：“那么想尝鲜？慢慢来吧。”
已经快凌晨 1 点了，我匆匆关了电脑，爬上床躺下却又毫无困意，脑子里还想着“电池”。“对了，差点忘了。”我翻身从床上下来，披件衣服打开电网连上网络，打开 GOOGLE 的主页输入了“水果电池”几个字。这时房门开了一条缝：“你还不睡啊？明天上不上学了？快睡觉！”妈妈在门外低低的声音说。
本节补充说明
静电在电子技术中的害处，是它经常造成一些半导体器件的损坏，所以工厂中负责焊接的工人一般会配备一个叫“防静电手环”的防护用品，套在手腕上，用于及时放掉身上产生的静电荷。对于我们这些爱好者在家中进行焊接，大可不必过于担心静电。现在的集成电路（芯片）对于静电的耐受能力还是比较强的，不能耐受静电的器件我会提醒你注意。
本节提及“光电效应”，仅是为后面进一步讨论半导体器件做些铺垫，本教程中并未有实际的电路运用了感光元器件或光电池。
对电池和发电机原理的讨论其实是为揭示“电源”的功用，它就是推动电子运动起来的动力源。而电源推动电子运动的能力，我们称其为“电源电动势”，它的单位也是“伏特”，和“电压”是一样的，所以通常就被称为“电源电压”。
“洛仑兹力”除了解释发电机原理外，将来还会在讨论“显像管”原理时用到，大家需注意正电荷在磁场中运动一样受“洛仑兹力”影响，但“偏转”方向与负电荷相反。
“击穿” 这个词以后会很常用，不单空气会被击穿，其它绝缘材料在过高电压的作用下都可能被击穿。
“尖端放电”原理我们将在讨论“电路板”和“焊接”时用到。