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[业界/制造]电力不够用?科学家说那就收集静电吧 [复制链接]

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在线shuszhao
 

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! U0z"  
ux2013C_  
)yee2(S  
这些日子,在又一次把自己电得活蹦乱跳,读完又一篇如何防静电的科普文之后,你肯定想过:就不能积极一点,收集静电,变废为宝?让一两个人用啪啪啪,撑起一个费电的家,让全北方摩擦摩擦的人民联合起来,取代南方发电的三峡?古有中学物理老师告诉我们:别做梦了! U0B2WmT~Q  
今有中科院教授告诉我们:梦就梦呗,又不上税,兴许成真了呢? 4 k}e28  
让我们温故知新,听他们的话。 XaI;2fMGI  
我脑子慢,你可别蒙我 O0l^*nZ46t  
唱衰静电的常见理由为: 7l8[xV  
日常静电,电压虽可高达万伏,但电流很小,连人都电不死,发什么电?! BW[5o3 i  
日常静电:爆炸的羽绒服和气球猫 N?r>%4  
话是这么说,细想却有疑窦: 9 wa,k  
1、为啥电压那么高? Q ~|R Z7G  
发电站累死累活烧火用核,才造得出高压电,我们脱个秋裤就高了? 8 ,}ikOZ?  
2、如果电压那么高,为啥电流那么小? jrJR1npB  
中学物理我们基本忘光了,不过欧姆定律(I=U/R)还记得:人体电阻(R)一定的话,电压(U)越高,电流(I)不也应该越大吗?而且,既然电流小,为啥还能闪火花,蛰疼我们? Go\VfLLw  
3、如果电压那么高,为啥电不死人? D=?{8'R'  
家用电压不是220伏吗?成千数万伏静电加身,我们闲庭信步,摸个电门就怂了? M.%shrJ/  
有请中学老师,帮我们掸掸理综真题上的灰。  I?Y d   
sLh0&R7   
Dk)}|GJ()"  
秋裤上的“高压电” B:oF;~d/,  
N{a kg90  
先看日常静电产生。 MOz}Q1`a  
都说摩擦起电,其实起电的不是摩擦。不同材料表面只要接触,一方的部分电子就会转移到另一方上,让前者带正电,后者带负电,所以,严格说是接触起电。当然,摩擦、施压可让更多电子转移。一个电子有一定量的电荷,电荷总量叫电量(以“库仑”为单位,与日常用电以“度”为单位的“电量”含义不同)。 c,5n, i  
日常摩擦,材料间转移的电子数有限,所以,日常静电电量很小,只有几微库仑(10-6级),但是,电压却不小。这又为什么呢? i S p  
两个物体表面带上电荷,离得不远,中间隔着空气,形成电压,这像个什么电气件?电池?发电机?不,它们像的,是容纳电荷用的电容器。 Fxd{ Zk`  
平行板电容器示意图 i s"vekC  
我们知道,电容器中的电压(U)等于其所带电量(Q)的绝对值除以其容纳电量的能力电容(C),即U=Q/C。 6XUuGxQV/  
换句话说,即使电量很小,但如果电容更小,小得多,电压就会很高。 gtU1'p"  
简单说,在冬季空气干燥、摩擦衣物绝缘等日常条件下,人体与周边环境(如地毯)近似构成的电容器,其电容只有一千到一百皮法(10-9至10-10级),被电量一除,电压就会高达成千数万伏了。 R"xp%:li  
所以,谁说电量小,电压就不能很高啦? h* .w"JO  
Q}vbm4)[  
n[k1np$7?6  
电流真的小吗? gp  
$3 8gs{+  
再看日常静电放电。 P;91~``b-  
在上述日常条件下,我们有成千数万伏静电加身,但身体表面电压基本相等,并没形成电流穿过我们,这时根本用不上欧姆定律。 90:K#nW;  
现在,我们去摸金属门把:它可不绝缘,是导体,算零电位,与人体间就有了电势差,电流形成,放电了,火花一闪--注意:火花出现在我们摸到门把之前,在二者的间隙里。 @ RR\lZ  
微观上看,我们与门把离得近了,1毫米3000伏左右的高电压,电场很强,就能击穿二者间的空气,把绝缘的空气在那一瞬变成导体,形成火花。 b](o]O{v  
击穿空气的电流峰值并不小。根据Richman等人1986年与Pommerenke等人1996年的论文估计,这种电流瞬间最高可达1至3安左右。 hY;_/!_  
us{nyil1  
持小金属物的手释放的静电电流值,论文认为徒手的电流值会低一个数量级 TQ9'76INb  
什么概念?若是插座的交流电,0.15安的电流穿过人体1秒以上,多半就会导致心室纤颤,人就要死了。 Bku' H  
然而,还是因为日常静电的电量太小,虽然电流峰值很高,但在瞬间放电后,在穿过人体前,电流就没了。 u}jrfKd E  
SE`l(-tL  
X-Ycz 5?  
所以,到底为啥电不死人? 5{l1A (b  
xfHyC'?  
电死人的究竟是电压、电流、电量、电阻、电功、电能……?这个话题网上特别常见,各执一词,众说纷纭。 Ti= 3y497S  
其实,纷纭的根源在于:电死人是件很复杂的事儿,所有一言蔽之均属一言堂。这取决于你摸什么(电门?闪电?)、怎么摸(倒立?劈叉?)、在哪儿摸(沙漠?泳池?)、用哪儿摸(指肚?手背?直接用心脏?)…… }=@zj6AC  
!oMt_k X  
国际电工委员会提供的电流、时间与导致心室纤颤概率的关系图。 g()m/KS<  
至于日常静电为什么电不死人,就很简单了,还是因为电量太小。 tHI*,  
电量小,即使电压高,电流峰值大,但放电时间实在太短(纳秒级),摩擦转移的那点电荷瞬间跑掉,电压、电流骤降为零。小火花释放的电能,据估算,每次才约0.5焦,或者更少,才0.06焦。 Vewzo1G2  
发电厂累死累活、闪电一惊一乍,它们提供的电量和电能,都比这大太多太多。 =MSu3<y,  
当然,这点电只能蜇你一下,却足以引爆可燃气体,炸个羽绒服事小,在工厂就相当恐怖了。 R2^iSl%pj  
7kz-V.  
LHi6:G"Y(  
满足家庭用电?取代三峡电站? !WKk=ysFS  
981!2*  
下面做些可笑的计算: )SiY(8y  
假设冬季北方人民每人每天“蛰”20次,即制造20朵可见可听的静电小火花(这是不确切的)。 {+=i?  
再假设其释放的能量还能百分百收集起来(这是不可能的)。 $L{7%]7QC  
那么,按每朵小火花0.5焦算,人均日静电发电10焦,每月发电则为0.0000833度。 iHz[Zw^.s  
据国家能源局数据计算,2017年城乡居民每月人均用电是多少呢? DP>mNE  
53度。呵呵。 g _ M-F  
众志成城怎么样? :XS"# ^aJ  
据国家统计局数据估算,2010年中国北方人口为5.6亿。那么,全体北方人民日静电发电56亿焦,每季度平均发电则为14万度。 Q4%IxR?  
据三峡集团数据计算,2017年三峡电站每季度平均发电是多少呢? R;THA!  
244亿度。呵呵。别做梦了! 0j@IxEPs  
除非你是它 T-P@u-DU  
Z=9dMND  
i$O#%12l  
QkX@QQ T?  
但见碧海磨纳米 % 0v*n8  
 U42\.V0  
日常静电电能这么小,要你何用?! .BL:h&h|y  
请注意,以上玩笑性计算只考虑了人体摩擦形成的可感小火花,然而,日常生活与大自然中的摩擦,还有太多太多。要是更高效地利用,没准真能取代三峡电站。 O,9X8$5H-a  
这话,是中科院纳米能源与系统研究所所长王中林教授说的。 s/ S+ ec3  
王老师是造摩擦纳米发电机(TENG)的,开山掌门,据说已濒临诺奖。 AQ}l%  
这种号称“世界上最小”的发电机,善于采集小规模、不规则的机械能,转化为电能。 I7Zq}Pxa  
如果该技术得以长足发展,往大了说,可让大海摩擦发电。200公里×200公里×5米深的海水,摩擦纳米材料,不必惊涛骇浪,也能采集出三峡电站的发电量。 6Bdyf(t  
概念图:数以百万的摩擦纳米发电机网状连结,采集低频海波能量 ^<9)"9)m_  
往小了说,可做自驱动可穿戴的小型传感器。用人体脉搏振动,摩擦纳米材料可以采集电能,监控血压、心电、心音等。2017年,北京两所医院已据此展开合作研发。 hEcYpng~  
基于摩擦纳米发电机的自驱动高灵敏脉搏传感器 % +8  
往中间说,前文提到的各种日常静电,配以纳米材料,也许未来都能采集转化。  y h-9u  
锋芒初露,前路修远,我们不妨拭目以待,翘盼用眨眼儿、打嗝儿和嘚啵嘚发电的机器早日产业化。 Gg+YfY_  
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还是有待开发
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如果成功了,手机就不用担心没有电了。
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