工程技术中的物理(精品).doc

1、 1 一、涡流的应用一、涡流的应用-2 2 二二、电磁继电器及其应用介绍电磁继电器及其应用介绍-6 6 三、磁悬浮列车工作原理三、磁悬浮列车工作原理-8 8 四、干涉原理在工程技术中的应用四、干涉原理在工程技术中的应用-1212 五、静电的应用五、静电的应用-1515 六、噪音的控制六、噪音的控制-1717 七光存储技术七光存储技术-1919 八、风能的利用八、风能的利用-2121 九九、能量转化和守恒定律的应用能量转化和守恒定律的应用-2222 十十、真空在食品包装及冷冻干燥工业中的应用真空在食品包装及冷冻干燥工业中的应用-2424 2 一、涡流的应用一、涡流的应用 在学习电磁学中，经常接触

2、过涡电流的概念，而且日常生活中也有不少 电器应用了涡电流的相关性质、作用，其中最常见的当属电磁炉了；在物理实验 中也会经常接触电学仪器，其中都应用到了涡流的相关的效应。下面将介绍涡电 流产生的几种机制及其应用，重点在于介绍电磁炉、傅科摆和其他一些电学仪器 的工作原理，从而加深对涡流的理解；同时也对涡流的危害进行相关的分析及如 何消除危害。 1.1. 1.1 1.1 概念概念 当整块金属内部的电子受到某种非静电力 （电磁感应情况下的磁洛沦兹力或 感生电场力就是这种非静电力的常见例子）时，金属内部就会出现电流，由这两 种力在整块金属内部引起的感应电流叫做涡电流，简称涡流。 由于多数金属的电阻率很小

3、，因此不大的非静电力往往可以激起强大的涡 流，如下图 1-1 表示一个铁心的线圈通过交变电流时在铁心的内部激起的涡流， 它是由变化的磁场激发的感生电场引起的。 图图 1 1- -1 1 铁心中的涡电流铁心中的涡电流 1.2 1.2 热效应热效应 涡电流在金属块内流动时,释放出大量的焦耳热。用交流线圈激发交变 磁场，使放置在交变磁场中的金属块内产生涡电流而被加热，这叫做感应 加热。 在变压器、交流电机等交流设备的铁芯中，线圈中交变电流所引起的 涡电流导致能量损耗，叫做涡流损耗。 1.31.3 机械效应机械效应 电磁阻尼 涡电流还可以起到阻尼作用。利用磁场对金属板的这种阻尼 作用，可制成各种电动阻

4、尼器。 电磁驱动这是对电磁阻尼作用起着阻碍相对运动的另一种形式的应 3 用。 1.41.4 趋肤效应趋肤效应 一段均匀的柱状导体通过直流电流时，电流密度在导体横截面上是均 匀分布的。然而，交谈电流通过导体时就不这么简单。由于交谈电流激发 的交变磁场会在导体内部引起涡流，电流密度在导体横截面上不再均匀分 布，而是越靠近导体表面处电流密度越大，这种交变电流电流倾向于集中 在导体表面的效应叫做趋肤效应。 2 电磁炉电磁炉 2.1 介绍介绍 电磁炉是近年来新兴的一种厨房炊具， 它无需明火或传导式加热而让热直接在锅底产 生，因此热效率得到了极大的提高。具有升温 快、热效率高、无明火、无烟尘、无有害气 体

5、、对周围环境不产生热辐射、体积小巧、 安全性好和外观美观等优点，能完成家庭的 绝大多数烹饪任务。如下图 1-2 所示： 图图 1-2 电磁炉电磁炉 2.2 工作原理工作原理 电磁炉是通过电子线路板组 成部分产生交变磁场、当用含铁 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 属部分产生涡流，涡流使锅具铁 原子高速无规则运动，原子互相 碰撞、摩擦而产生热能使器具本 身自行高速发热，用来加热和烹 饪食物，从而达到煮食的目的。 当 一 个 回 路 线 圈 通 予 电 流 时，其效果相当于磁铁棒。因此 线圈面有磁场 NS 极的产生， 亦即有磁通量穿越。若所使用的 电源为交流电，线圈的磁极

6、和穿 越回路面的磁通量都会产生变 化。 当有一导磁性金属面放置于 回路线圈上方时，此时金属面就 会感应电流（即涡流） ，涡流使锅 具铁原子高速无规则运动，原子 互相碰撞、摩擦而产生热能。 图图 1-3 电磁炉内部线圈电磁炉内部线圈 3 变压器变压器 3.1 涡流热效应的另一面涡流热效应的另一面 电磁炉是利用了涡流的热效应而制造出来的，这是有利的一面，但是， 4 涡流的热效应也不是什么情况下都是好的，在某些情况下我们却要减少它 的热效应来减少能量损耗，比如说变压器。 由变压器的基本结构我们知道，通电时铁心会产生涡流，继而会有很 多的热量损失浪费掉，严重时由于过热会烧毁线圈造成危险。如图 1-4

7、和图 1-5 所示： 图图 1-4 变压器外观变压器外观 图图 1-5 变压器铁心变压器铁心 为了减小涡流，变压器的铁心都不用整块钢铁而用很薄的硅钢片叠压而成，硅钢是掺 有少量硅的钢，其电阻率比普通钢要大，因此涡流损耗得以减小，把硅钢制成片状则 可借用片间的绝缘漆切断涡流通路以进一步减小涡流的发热。下图 1-6 所示为用硅钢 片把涡流限制在每块片内的情形： 图图 1-6 硅钢片制成的铁心硅钢片制成的铁心 图图 1-7 傅科摆示意图傅科摆示意图 4 傅科摆、电学仪表傅科摆、电学仪表 4.1 傅科摆傅科摆 如图 1-7 所示，蓝色部分是一块可以在电磁铁两极间摆动的铜板（即傅 科摆） ，电磁铁未通电

8、时，铜板要摆多次才会停下来；而电磁铁一旦通电， 铜板就很快停下来了。这种现象叫电磁阻尼。根据楞次定律我们知道，导 体在磁场中运动时由于出现感应电流（这里即涡流） ，而受到的安培力必然 阻碍导体的运动。 4.2 电学仪电学仪表表 机械电压表、电流表等都是应用涡流的电磁阻尼效应多米尼而制成的。 如，我们在使用电学仪表进行测量时，为了方便读数，我们都希望指针能 迅速稳定在应指的地方而不左右摇摆，为此，一般电学仪表内都装有阻尼 5 器。 除了仪表之外，电磁阻尼还常用在电气机车的电磁制动器中。 . .总结总结 纵观全文，我们可以知道，涡电流的实质即感应电流。通电导线周围 都会有磁场，把导体放置在该磁场中

9、，便会产生感应电动势，继而产生感 应电流，即涡流，而涡流和普通电流一样要放出焦耳热，这便是涡流的热 效应；由楞次定律我们也可以知道感应电流对导体有“来拒去留”的特性， 这便是涡流的机械效应，即电磁阻尼；交变电流在导体中的不均匀分布而 集中在导体表面，这便是涡流的趋肤效应。 根据涡流的各种效应，可以为我们日常生活所应用，给我们以便利； 但是同时也会因为涡流的各种效应，在某些场合却造成了阻碍，我们要减 小它。这便是涡流的双向特点。 6 二二、电磁继电器及其应用介绍电磁继电器及其应用介绍 电磁继电器的结构电磁继电器的结构 2电磁继电器的工作原理电磁继电器的工作原理 当没有电流经过接线柱 D、E 流入

10、线圈时，电磁铁没有磁性，衔铁被弹簧拉 起，使 A、B 两个接线柱所连的两个触点接通。 当有电流渡过接线柱 D、E 流入线圈时，电磁铁有磁性，衔铁被电磁铁吸下， 使 B、C 两个接线柱所连成的两个触点接通。 3电磁继电器的实质电磁继电器的实质 电磁继电器利用电磁铁来控制工作电路的一种开头。 4、继电器主要产品技术参数、继电器主要产品技术参数 额定工作电压，是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型 号不同，可以是交流电压也可以是直流电压。 直流电阻，是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万用表测量。 吸合电流，是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定 的电流必须略大于吸合

11、电流，这样继电器才能稳定地工作，而对于线圈所加的工 作电压，一般不要超过额定工作电压的 1.5 倍，否则会产生较大的电流而把线圈 烧毁。 释放电流， 是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流 减小到了定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于 吸合电流。 触点切换电压、电流，是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器 能控制电压和电流的大小 ， 使用时不能超过此值 ， 否则很容易损坏继电器的触点 。 5.5.电磁继电器的应用电磁继电器的应用 5.15.1 防汛报警器防汛报警器 K 是接触开关，B 是一个漏斗形的竹片圆筒，里面有个浮子 A，水位上涨超 过警

12、戒线时，浮子 A 上升，使控制电路接通，电磁铁吸下衔铁，于是报警器指示 灯电路接通，灯亮报警。 5.2 温度报警器温度报警器 7 当温度升高到一定值时，水银温度计中水银面上升到金属丝处，水银是导体。因 此将电磁铁电路接通，电磁铁吸引弹簧片，使电铃电路闭合，电铃响报警，当温 度下降后， 水银面离开金属丝， 电磁铁电路断开， 弹簧片回原状， 电铃电路断开， 电铃不再发声。 5.35.3 防盗自动报警装置防盗自动报警装置 下图是某仓库的防盗报警器，安装在仓库门口的地上，报警灯安装在值班室 内。其工作原理是：当有外来人员踩到门口上的踏板时，控制电路就会闭合形成 通路， 电流流过线圈是的电磁铁周围产生磁

13、场， 把动触点吸引下来与静触点接触， 接有灯泡的电路就接通，灯泡发亮，从而起到报警作用。 8 三、磁悬浮列车工作原三、磁悬浮列车工作原理理 自 1825 年世界上第一条标准轨铁路出现以来，轮轨火车一直是人们出行的 交通工具。然而，随着火车速度的提高，轮子和钢轨之间产生的猛烈冲击引起列 车的强烈震动，发出很强的噪音，从而使乘客感到不舒服。由于列车行驶速度愈 高，阻力就愈大。所以，当火车行驶速度超过每小时 300 公里时，就很难再提速 了。 如果能够使火车从铁轨上浮起来，消除了火车车轮与铁轨之间的摩擦，就能 大幅度地提高火车的速度。 但如何使火车从铁轨上浮起来呢？科学家想到了两种 解决方法：一种是

14、气浮法，即使火车向铁轨地面大量喷气而利用其反作用力把火 车浮起；另一种是磁浮法，即利用两个同名磁极之间的磁斥力或两个异名磁极之 间磁吸力使火车从铁轨上浮起来。在陆地上使用气浮法不但会激扬起大量尘土， 而且会产生很大的噪音，会对环境造成很大的污染，因而不宜采用。这就使磁悬 浮火车成为研究和试验的的主要方法。 1.磁悬浮列车运行原理磁悬浮列车运行原理 磁悬浮列车是现代高科技发展的产物。其原理是利用电磁力抵消地球引力，通过 直线电机进行牵引，使列车悬浮在轨道上运行（悬浮间隙约 1 厘米） 。其研究和 制造涉及自动控制、电力电子技术、直线推进技术、机械设计制造、故障监测与 诊断等众多学科，技术十分复杂

15、，是一个国家科技实力和工业水平的重要标志。 它与普通轮轨列车相比，具有低噪音、无污染、安全舒适和高速高效的特点。 当今，世界上的磁悬浮列车主要有两种“悬浮”形式，一种是推斥式；另一 种为吸力式。推斥式是利用两个磁铁同极性相对而产生的排斥力，使列车悬浮起 来。这种磁悬浮列车车厢的两侧，安装有磁场强大的超导电磁铁。车辆运行时， 这种电磁铁的磁场切割轨道两侧安装的铝环，致使其中产生感应电流，同时产生 一个同极性反磁场，并使车辆推离轨面在空中悬浮起来。但是，静止时，由于没 有切割电势与电流，车辆不能产生悬浮，只能像飞机一样用轮子支撑车体。当车 辆在直线电机的驱动下前进，速度达到 80 公里小时以上时，

16、车辆就悬浮起来 了。吸力式是利用两个磁 铁异性相吸的原理，将电 磁铁置于轨道下方并固定 在车体转向架上，两者之 间产生一个强大的磁场， 并相互吸引时，列车就能 悬浮起来。这种吸力式磁 悬浮列车无论是静止还是 运动状态，都能保持稳定 悬浮状态。这次，我国自 行开发的中低速磁悬浮列 车就属于这个类型。 “若即若离” ，是磁悬浮列车的基本工作状态。磁悬浮列车利用电磁力抵消 地球引力，从而使列车悬浮在轨道上。在运行过程中，车体与轨道处于一种“若 即若离”的状态，磁悬浮间隙约 1 厘米，因而有“零高度飞行器”的美誉。它与 普通轮轨列车相比， 具有低噪音、 低能耗、 无污染、 安全舒适和高速高效的特点，

17、被认为是一种具有广阔前景的新型交通工具。特别是这种中低速磁悬浮列车，由 9 于具有转弯半径小、爬坡能力强等优点，特别适合城市轨道交通。 德国和日本是世界上最早开展磁悬浮列车研究的国家， 德国开发的磁悬浮列 车于 1989 年在埃姆斯兰试验线上达到每小时 436 公里的速度。日本开发的磁悬 浮列车 MAGLEV 于 1997 年 12 月在山梨县的试验线上创造出每小时 550 公里的 世界最高纪录。 德国和日本两国在经均认为有可能于下个世纪中叶以前使磁悬浮 列车在本国投入运营。 2.磁悬浮列车的种类磁悬浮列车的种类 磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型，以德国高 速常导磁浮列

18、车为代表，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起， 悬浮的气隙较小，一般为 10 毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小 时 400500 公里，适合于城市间的长距离快速运输。而超导型磁悬浮列车也称 超导磁斥型，以日本 MAGLEV 为代表。它是利用超导磁体产生的强磁场，列车 运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较 大，一般为 100 毫米左右，速度可达每小时 500 公里以上。这两种磁悬浮列车各 有优缺点和不同的经济技术指标，德国青睐前者，集中精力研制常导高速磁悬浮 技术;而日本则看好后者，全力投入高速超导磁悬浮技术之中。 德国的常导磁悬浮列车

19、常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸 力， 与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁 铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平 方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。 车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为 10 毫米，是通过高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向实际上 与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。 常导磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。 车辆下部支撑电磁铁线 圈的作用就象是同步直线电动机的励磁线圈， 地面轨道内侧的三相移动磁场驱动 绕组起到电枢的作用，它就象同

20、步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原 理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转 动。 同样， 当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时， 由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就象电机的“转子”一样被推动做直线 10 运动。从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。 日本的超导磁悬浮列车 4.超导磁悬浮列车中的主要部件超导磁悬浮列车中的主要部件 超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的 完全导电性和完全抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅 电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的

21、强大电流，这种特性使其 能够制成体积小功率强大的电磁铁。 超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备， 而列 车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧， 车辆上的感应动力集成设 备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当 向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时， 就会产生一 个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波，这时列车上的车载超导磁体就会 受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。其原理就象冲 浪运动一样，冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快速前进的。与冲浪者所 面对的难题相同， 超导磁悬浮列车要处

22、理的也是如何才能准确地驾驭在移动电磁 波的顶峰运动的问题。为此，在地面一套过长期反复的导轨上安装有探测车辆位 置的高精度仪器，根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式，精确地控 制电磁波形以使列车能良好地运行。 超导磁悬浮列车也是由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供 三相交流电，并与列车下面的动力集成绕组产生电感应而驱动，实现非接触性牵 引和制动。但地面导轨两侧的悬浮导向绕组与外部动力电源无关，当列车接近该 绕组时，列车超导磁铁的强电磁感应作用将自动地在地面绕组中感生电流，因此 在其感应电流和超导磁铁之间产生了电磁力，从而将列车悬起，并经精密传感器 检测轨道与列车之间的间隙，使其

23、始终保持 100 毫米的悬浮间隙。同时，与悬浮 绕组呈电气连接的导向绕组也将产生电磁导向力， 保证了列车在任何速度下都能 稳定地处于轨道中心行驶。 3.超导磁悬浮列车目前存在的技术问题超导磁悬浮列车目前存在的技术问题 尽管磁悬浮列车技术有上述的许多优点，但仍然存在一些不足： (1)由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的，断电后磁悬 浮的安全保障措施，尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题。其高速 11 稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验。 (2)常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，因此对线路的平整度、路基下沉量及 道岔结构方面的要求较超导技术更高。 (3)超导磁悬浮技术由于涡流效

24、应悬浮能耗较常导技术更大，冷却系统重， 强磁场对人体与环境都有影响。 12 四、干涉原理在工程技术中的应用四、干涉原理在工程技术中的应用 1800 年，英国物理学家托马斯杨提出，光波与机械波类似，也有干涉现 象。 他提出了光的干涉现象产生的条件以及获得相干光的方法，并设计了著名的 杨氏双缝实验。若两列波满足频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定 的相干条件，这两列波就是相干波。它们在空间的重叠区域内各点相遇时，将发 生干涉现象，在观察屏上会出现明暗相间的干涉条纹。干涉现象是波的重要特征 之一， 其在科学研究和工程技术中有着广泛的应用。除了一般普通物理教材常介 绍的例子：利用光的劈尖干涉检

25、测工件的平整度、测量微小的角度或长度、测量 样品的膨胀系数；利用牛顿环干涉检测磨制透镜的质量、测定光波的波长、测定 凸透镜的曲率；利用薄膜干涉监控镀膜厚度等, 且都集中在光学部分，以下还列 举了其他几个干涉的应用实例。 1.相位干涉仪测向相位干涉仪测向 在军事上常常需要确定雷达信号的来波方向，称为无源测向。相位干涉测向 仪是一种常用的测向系统，其基本结构与工作原理如图 1 所示。 图 1 相位干涉仪测向原理 两个天线单元A 和B 相隔一定距离d，水平放置，当雷达电磁波平行传输过 来， 到达A天线比到达B 天线多经过的路程为a=d sin 式中是来波方向与天线轴 线的夹角, 也就是方位角，则两天

26、线信号的相位差为 2 a= 2 d sin ，式 中是雷达信号的波长。相位干涉仪一般采用超外差接收机, 首先确定信号波长 ， 然后根据测出的A、 B 天线信号的相位差就可以利用上式计算出方位角。 天线间距 d 称为基线, 为了覆盖基线一侧 180 0的方位角, 基线长度应小于 信号波长 的一半，但另一方面, 基线越长, 引起的两信号相位差变化越大, 测 13 量越敏感, 测向精度越高。为了同时兼顾高测向精度和方位覆盖范围, 实用的相 位干涉仪总是采用多副天线, 形成长短不一的基线, 如图 2 所示。 图 2 相位干涉仪的多基线 2干涉消声器控制噪声干涉消声器控制噪声 利用干涉原理制成干涉消声器

27、可以降低内燃机、 压缩机等排放高速气流时产 生的低频噪声, 其原理如图 3 所示。 图 3 干涉消声原理 波长为的声波沿管道向右传播, 在A处分成两束相干波, 它们分别通过r 1 和 r2 的路程后再在 B 处相遇, 若r = r2 - r 1 恰好等于声波半波长 2 的奇数倍, 则干涉相消,从而达到控制噪声的目的。 为了使这类消声器在低频范围内具有较宽的消声频率, 一般将多个这样的 消声单元串联起来, 并且使每一个单元的r 不等, 就可以对不同波长的噪声加 以控制。 3、利用瑞利干涉仪监测矿井甲烷浓度、利用瑞利干涉仪监测矿井甲烷浓度 在煤矿的井下生产中, 即时准确地监测井下气体的甲烷浓度变化

28、, 对确保安 全生产极其重要。根据甲烷和纯净空气的折射率不同, 运用双光束干涉, 通过观 察干涉条纹的变化，可以实现对井下空气中甲烷浓度的监测。 瑞利干涉仪的结构如图4 所示。 S 为狭缝光源，经透镜L1 后成为平行光, 再由双缝S1、S2 分离出两束相干光, 分别让它们通过长度相等的两个气室T1、 T2 后, 由透镜L2 会聚到其焦平面上形成干涉条纹. 若两气室T1、 T2 内气体相同, 则两束光在O 点处干涉相长, 形成零级明条纹. 若将气室T1 内充入纯净空气, 其折射率用n0 表示; 将气室T2 内充入井下气体, 其折射率用 n 表示, 则两束光 14 到达O 点的光程差为 = n L

29、- no L= ( n - n 0) L = k (1) 图 4 瑞利干涉仪的结构图 式中, L 为气室的长度; 为光的波长; k 为 O 点处干涉明条纹的级次。假设井下 气体中甲烷浓度为 x%, 则其折射率 n 与纯净空气的折射率 n0 以及纯甲烷气体 的折射率 n 有如下关系： n = n 100 x + n0 100 100 x 将其整理为 n -n0= (n-n0) 100 x (2) 由式( 1) 和式( 2) 可得: x=100 Lnn k )0( 即为 O 点处干涉明条纹的级次 k 与气室中井下气体的甲烷浓度 x %之间的关系 式. 实际应用中, 需要使两气室内的气体具有相同的压

30、强和温度, 利用读数显微 镜可较方便地确定O 处干涉明条纹的级次 k, 在已知波长 和纯净空气折射率 n0 以及纯甲烷气体的折射率 n 的情况下, 即可计算出井下气体的甲烷浓度。 通过以上的实例，我们又进一步了解了干涉原理在工程技术中的应用，加深 了对干涉原理的掌握，同时利用干涉原理还可以制造各种用途的干涉原理，如法 布里珀罗干涉仪广泛应用于研究光谱线的超细结构；又如，应用劈尖干涉法还 可以测量微小量以及检测待测平面的平整度等。当然也可以在照相机、显微镜、 望远镜等现代光学仪器中的许多个镜面中，利用干涉原理，在其镜面上镀一层均 匀透明薄膜即增透膜以减少光能的损失。所以，干涉原理在工程技术中的应

31、用是 很广泛的。 五、静电的应用五、静电的应用 15 一说到静电， 我们马上就会想到冬天我们脱衣服， 梳头发而产生的静电现象， 在多易燃易爆品或粉尘、油雾的生产场所由于静电极易引起爆炸和火灾。似 乎静电总是给我们生活带来不便，可是静电真的一无是处吗？不是的，静电 还在我们生活生产中有很多有益的应用。 在说到静电的利用前，我们先了解静电产生的原理。静电一种处于静止 状态的电荷,物质都是分子构成，分子是由原子构成，子是由电子和质子组 成的。 在正常情况下， 电子数和质子数数量相等， 所以物质显中性即不带电。 但当原子受到外力时原子， 原子核外的电子会脱离原来的轨道而被别的原子 吸引， 所以原来的原

32、子变为阳离子带正电， 而电子的原子得到电子而带负电， 叫阴离子。 静电在生活中最常见的应用是复印机， 静电复印机是集静电成像技术光学技术电子技术和机械技术于一体的办 公设备。它采用的成像方法有很多，如间接式静电复印法（即卡尔逊法），NP 静电复印法、KIP 持久内极化法、TESI 静电转移成像法等。现代静电复印机普 遍采用间接式静电复印法和 NP 静电复印法。 复印机利用了静电吸附原理，具有简便、迅速、清晰、可扩印和缩印，还可 复印彩色原件等优点。复印机的核心部件是有机光导体鼓。它是一个金属圆筒， 表面涂覆有机光导体。没有光照时有机光导体是绝缘体，受到光照时变成导体。 工作流程：1照明和聚焦成

33、像。 复印前先通过机内电路使有机光导体鼓在暗处 带电（甲）。复印时强光照在文件上，文件反射的光通过光学系统在鼓上成像， 亮处的有机光导体变成导体，所带的电荷流失，暗处的电荷保留下来。这时在鼓 上出现一个电荷组成的“潜像”（乙），肉眼不能看见。 2.静电显影： 像正好 落在光导硒鼓上，光导硒鼓是一个圆鼓形结构的筒，表面覆有硒光导体薄膜。光 导体对光很敏感，没有光线时具有高电阻率，一遇光照，电阻率就急剧下降；在 充电机的作用下，电阻率就急剧下降。光导体表面，在充电极的作用下，带有均 匀的静电荷。当由图像的反射光形成的光像落在光导体表面上时，由于反射光有 强有弱(因为原稿的图像有深有浅)，使光导体的

34、电阻率相应发生变化。光导体表 面的静电电荷也随光线强弱程度而消失或部分消失， 在光导体膜层上形成一个相 应的静电图像，也称静电潜像。人们看不到它，好像潜藏在膜层内。3转印和 定影有机光导体鼓继续转动，经过复印纸时把墨粉印在纸上，白纸变成了文件的 副本。有机光导体鼓不停地转动，文件就一页一页的复印出来了。墨粉是掺了树 脂胶的，复印件要加热，墨粉才能永久的粘在纸上（丁）。 16 除了可以静电复印外，静电原理在生活中还有很多应用 如静电除尘、我 们周围存在很多灰尘，对我们的健康产生很大的危害，我们可以利用静电除尘除 去空气中的灰尘，除尘器由金属管 A 和悬在管中的金属丝 B 组成，A 接到高压电 源

35、的正极，B 接到高压电源的负极，它们之间有很强的电场，而且距 B 越近，场 强越大B 附近的空气分子被强电场电离，成为电子和正离子正离子被吸到 B 上，得到电子，又成为分子电子在向着正极 A 运动的过程中，遇到空气中的灰 尘， 使灰尘带负电， 吸附到正极 A 上， 最后在重力的作用下落入下面的漏斗中 静 电除尘用于粉尘较多的各种场所，除去有害的微粒。 此外静电喷漆也是利用静电原理，静电喷漆设法使油漆微粒带电，油漆微 粒在电场力的作用下向着作为电极的工件运动，并沉积在工件的表面，完成喷漆 的工作 这就是静电喷涂 使绒毛带电， 可以使绒毛植在涂有粘着剂的纺织物上， 形成像刺绣似的纺织品这就是静电植

36、绒。 随着科学技术快速的发展，静电在生活中的应用也越来越广泛。静电也开 始在淡化海 水，喷洒农药、人工降雨、低温冷冻等许多方面大显身手，甚至在 字宙飞船上也安装有静电加料器等静电装置。 17 六、噪音的控制六、噪音的控制 噪音控制具体到技术层面， 又分为机械原理噪音控制和声学原理噪音控制两 种类型： 从机械原理出发的噪音控制措施： 改进机械设备结构、应用新材料来降噪。随着材料科技的发展，各种新型材 料应运而生，用一些内摩擦较大、高阻尼合金、高强度塑料生产机器零部件已变 成现实。例如，在汽车生产中就经常采用高强度塑料机件。对于风扇，不同形式 的叶片，产生的噪音也不一样，选择最佳叶片形状，可降低噪

37、音。例如，把风扇 叶片由直片式改成后弯形，或者将叶片的长度减小，都可以降低噪音。一般齿轮 传动装置产生的噪音较大，达 90dB ，如果改用斜齿轮或螺旋齿轮，啮合时重合 系数大，可降低噪音 316dB 。若改用皮带传动代替一般齿轮转动，由于皮带 能起到减振阻尼作用，因此可降低噪音 15dB 左右 。对于齿轮类的传动装置， 通过减小齿轮的线速度，选择合适的传动比，也能降低噪音。试验表明，若将齿 轮的线速度减低一半，噪音就会降低 6dB 左右。 提高零部件加工精度和装配质量。零部件加工精度的提高，使机件间摩擦尽 量减少，从而使噪音降低。提高装配质量，减少偏心振动，以及提高机壳的刚度 等，都能使机器设

38、备的噪音减小。对于轴承，若将滚子加工精度提高一级，轴承 噪音可降低 10dB 。从机械原理出发的噪音控制主要取决于汽车的研发和生产组 装等环节，一般是在车辆出厂之前采取的降噪措施。后期的使用和维护过程中， 避免机械设备和车辆的空载和超载，选用好的润滑油脂，都可以减轻噪音。 从声学原理出发的噪音控制措施： 除了以上几种降低噪音的办法外，还可以采用声学控制方法降低噪音，主要 包括吸音、隔音、减震、密封等。 对于汽车噪音控制来说，由于发动机、排气 管、 轮胎等引发噪音的部件在车辆出厂的时候就定型了，因此各部件的设计水平 和组装工艺就决定了噪音的大小，也同时体现了一部车子的技术水平和科技含 量。平静汽

39、车隔音主要是从控制阻隔传播途径入手进行研发。 吸吸 音音 在汽车有限空间内的噪音包括直达声级计和反射噪音两部分。 吸音是用特种 被动式材料来改变声波的方向，以吸收其能量。合理的布置吸音材料，能有效降 低声能的反射量，达到吸音降噪的目的。常用的吸音材料由于受环保、防水、防 火、轻量化等条件的限制，能够用于汽车的吸音材料比较少见，平静隔音吸音棉 是研发人员在研究分析多款车型噪音特点的基础上， 针对汽车噪音特点创造性的 开发出异型吸音槽设计，在传统的一个单位的隔音面积上集成了 2 倍以上的吸 音面积，每个吸音槽的宽窄、深浅、坡度和曲率都是针对轿车噪音的特点经数学 算法仿真模拟并精确确定的。由于吸声层

40、的逐渐过渡性质，材料的声阻抗与空气 的声阻抗能较好地匹配，使较宽频段的声波都能被高效地吸收。 减减 震震 汽车的外壳一般都是由金属薄板制成，车辆行驶过程中，震源把它的震动传 给车体，在车体中以弹性波形式进行传播，这些薄板受激震动时会产生噪音，同 时引起车体上其它部件的震动，这些部件又向外辐射噪音，在该传播途径上安装 弹性材料或元件，隔绝或衰减震动的传播，就可以实现减震降噪的目的。可用的 减震措施主要有隔震减震和阻尼减震， 平静汽车阻尼防护胶就是在阻尼减震原理 的基础上研发的。此外，平静吸音棉在粘贴过程中采用人工刷胶的方式，专用的 18 胶粘剂在固化以后会具有良好的弹性和柔韧性，形成一道阻尼减震

41、层，可以耐受 车体的冲击与振动。 密密 封封 大量试验表明：车内整体噪音的控制与车体的密封性能密切相关。好的密封 可以有效降低车辆整体噪音，尤其对高速行驶过程中的风噪有很好的抑制效果。 车辆行驶过程中产生的扰流是引起风噪的根源车辆高速行驶过程中车身某 一部件处会出现周期性气流分离，涡从车身两侧拖出，顺气流方向移动，从而产 生噪音。 预防这种噪音产生的办法是尽量避免产生气流分离并用恰当的方法扰乱 周期性的尾流。一般的密封仅仅是利用密封性的提高把噪音阻隔在外，平静专业 密封条在阻隔噪音的同时，还会避免气流分离并对周期性的尾流达到扰乱，从根 本上降低风噪。 19 七光存储技术七光存储技术 造纸术的发

42、明使人们可以方便的记录信息， 同时也使我国数千年的历史和众 多优秀的传统文化得到了较为完整的保存 随着社会的不断进步、科技的高速 发展， 尤其是计算机和网络技术日新月异的发展，各种信息以不可阻挡的力量涌 人人们的生活，人们几乎每天都要处理和存储大量的信息， 用纸张来记录信息 已远不能满足人们的需求，这就需要一种更为有效的信息存储技术来存储信息， 而光存储技术是信息存储技术中最有效的方法 1光存储技术的原理光存储技术的原理 光存储技术就是用激光照射介质， 通过激光与介质的相互作用使介质发生 物理、 化学变化， 将信息存储下来的技术 它的基本物理原理是： 存储介质 受到激光照射以后， 介质的某种性

43、质( 如反射率、 反射光极化方向等)发生改变， 而介质这种性质的改变可以反映被存储的数据， 经过识别存储单元性质的变化 来读出被存储的数据在实际操作中，一般用电脑来处理信息，因为电脑只能识 别二进制数据， 所以要在存储介质上面储存数据、音频和视频等信息，首先要 将信息转化为二进制数据 现在常见的 C D 光盘、 D V D 光盘等光存储 介质， 与 软盘、 硬盘相同，都是以二进制数据的形式 来存储信息的写入信息时，将主 机送来的数据经编 码后送入光调制器， 使激光源输出强度不同的光束，调制后 的激光束通过光路系统， 经物镜聚焦然后照 射到介质上，存储介质经激光照射 后被烧蚀出小凹 坑， 所以在

44、存储介质上， 存在被烧蚀和未烧蚀两种不同的状态， 这两种状态对应着两种不同的二进制的 数据 读取信息时，激光扫描介质，在 凹坑处由于反 射光与入射光相互抵消入射光不返回， 而在未烧蚀的无凹坑处， 入射光大部分返回这样，根据光束反射能力的不同， 就可以把存储介质上的 二进制信息 读出，然后再将这些二进制代码转换成为原来的信息这里要说明 的是， 读取信息时的光束强度要比写入信息时的光束强度弱，以免破坏原来写入 的信息一般说来，设备在生产过程中已经保证了这一点，所以不需要用户在使 用过程中再调节 2光存储技术的几种技术的发展光存储技术的几种技术的发展 现在使用的光存储技术一般还是单面或双面的光盘存储

45、， 虽然记录的激光束 可以聚焦得很小 ，但是受电磁波衍射的限制 ，很难使数据位的分辨率小于半个 波长， 从而限制了光存储面密度的进一步提高。三维光存储技术是提高存储容量 和存储密度的一种有效手段，下面将介绍几种主要的三维光存储技术。 2.1 近场光学存储技术近场光学存储技术 在光学存储系统中，光束经透镜聚焦照射到介质上，由于衍射的限制，聚焦光斑 的直径很难汇聚到半个波长。 基于超衍射场分析的近场光学原理和方法可以突破 这一限制，使光斑直径小于半个波长，从而将存储密度提高几个数量级。目前， 对近场光学存储的研究主要集中在固体浸没透镜存储、探针近场存储、超分辨近 场结构存储。 2.2 双光子存储技

46、术双光子存储技术 双光子存储的基本原理是，当两束光照射到存储介质上 ，截至的分子或原 子吸收了两束光的两个光子，从一个 电子能态激发到另一个电子能态。介质中 原子激发的速率与八射的两束光光强的乘积成正 比， 因此只有在两束光交 叠的 区域才发生双光子吸收过程。只要改变两束光入射的 方向 ，就可改变光束的聚 20 焦点 ，实现在存储介质空间中的三维寻址 双光子存储技术可以利用 材料的折射率、吸收率 、荧光或者电性质的变化 ，买现数据信息 的存储与读 出。 ( 3 )激光光学全息存储技术 高密度全息数字存储是利用光学全息的基本原理， 进行二值化页面形式光学 信息存储的方法， 二值化光学信息页即 数字化的光学信息，它对要存储的信息 进行数字化编码后 ，通过空间光调制器( SL M) 调制成二值化光学信息页。和其 它存储技术相比，激光全息数据存储具有存储密度高、 存取速度快、高冗余度 和寻址速度快的优点。近十