|
網絡上盛傳一個硬核梗：耳朵靈敏的音樂大師能夠在中國的各個角落從音響里聽出不同的聲音效果。而究其原因，則是因為中國各地的電力來源不一樣，從火電、水電、核電甚至到不太穩定的垃圾焚燒、太陽能、風電等，都會對音質造成不同的影響。 耳朵如此敏感的音樂大師很難找，而且各家說法不一，這個傳言也就很難證實或者證偽。但這個傳言里至少有一點是真的：幅員遼闊的中國各地，確實有各種發電的方法，并且潛移默化地影響著中國民眾的生活。 核電站好像都長這樣 生活在現代社會，享受著電力帶來的巨大福利，我們應該對這些技術有一點基本的了解。所以今天我們有幸請到了著名的物理學家李淼教授，來從物理學的角度看看各種中國人擅用的各類發電技術原理。 電力是怎么來的？ 電力的出現，改變了人類的格局。所謂第二次工業革命，主要標志是電力進入我們的生活。 電力在中國的普及是不久前的事情。今天，我們已經適應了電力驅動的生活：照明、冰箱洗衣機空調、電腦手機……電動汽車不久的未來也會普及。當然，更多的電力是用在工業上。 可是，你有沒有想過，中國的電力都是用什么方式發出來的？電力的不同來源的道理是什么？以及每到冬天被人們吐槽的發電帶來霧霾，究竟是如何實現的？ 回答第一個問題比較簡單。中國電力來源主要是火力發電、水力發電、風力發電和核電，占比分別為：火電接近75%，水電不到18%，風電約為4%，核電不到4%。 中國最大電廠 二灘水電站（以裝機容量算） 回答第二個問題略為復雜一些，上面提到的火力也好，水力也好，都是將別的形式的能量變成電能，然后再輸送出去或儲存起來。所以，發電機就變得最為重要。有了發電機，別的形式能源可以通過先變成推動發電機的機械能，然后發電機就派上用場了。 要搞清楚電是怎么發出來的，我們第一步要先搞懂發電機的原理。 首先，我們來講一下最簡單發電機的構造：一臺圓筒形的機器，最里面是可以轉動的東西，叫轉子，是用磁鐵做的；轉子的外面是固定的一些線圈，叫定子；然后就是從定子接出的電線。當機械的力量驅動轉子轉動時，轉子的磁場在定子中產生了電流。 兩塊磁鐵產生磁場 中間的金屬線圈不斷旋轉 就能產生電流 轉子因為轉動，對于固定的線圈來說，轉子的磁場是不斷變化的。這種用變化磁場產生電力的原理，正是英國大物理學家法拉第發現的。這個原理有個名字，叫電磁感應原理。法拉第是在1831年做出了這個改變人類的發現，第二年，法國人就發明了發電機。 那么，電磁感應現象又是怎么回事呢？做一個簡單的小實驗：拿一個電線做成線圈，然后，拿一個磁鐵穿過這個線圈，你會發現，線圈會短暫地出現電流。相信很多人在中學的時候都做過這個實驗。 黃色的金屬棒在磁場中左右搖擺 就能產生電流 神奇不神奇？ 線圈為什么會出現電流？因為出現了電場，推動了線圈中的電子。磁鐵穿過線圈時，線圈附近的磁場發生了變化。 我們將法拉第發現的定律概括如下：當磁場發生變化時，電場就會產生。電磁感應現象這個名稱也就好理解了，磁場電場互相感應。 在法拉第發現電磁感應現象之前，法拉第親手發明了電動機。電動機是用電力驅動機械，我們的家庭電器中到處都是電動機。電動機的工作原理是基于另一個電磁現象的基礎上，也就是電流會產生磁場，正好和發電機原理相反。這個我們按下不表。 當然，發電機比電動機更重要，因為有了它我們可以將尋常的能源變成電力，而電力更易于輸送和保存。 既然變化的磁場產生電場，變化的電場產生磁場，這樣電場磁場互相感應，就有了電磁波。 電磁場這個概念在20世紀有了極大的推廣，世界上最基本東西的就是場，電子有對應的電子場，中微子有對應的中微子場，引力有對應的引力場…… 幾種發電方法的原理 扯遠了，我們回到電力這個話題上來。 前面說了，在中國的電力生產中，火電占了大頭。那么，火電是怎么來的？很簡單，燒煤啊什么的。煤炭燃燒可以用來燒水產生水蒸氣，水蒸氣通過蒸汽機又來推動發電機。 煤炭燃燒雖然是常見的現象，但大多數人好像不知道它的基本原理，所以我們先介紹一下這個。 有一種暴露年齡的幸福 叫燒煤取暖 煤炭的主要成分是元素碳，碳在一定溫度下和空氣的氧發生反應變成二氧化碳，同時，有熱量釋放出來。這種經過化學反應釋放的能量通常叫化學能。化學能是最常見的能量，我們吃飯消化的過程中也會產生能量和儲存能量，這也是化學能。當然，煤炭在燃燒的過程中也會產生其他氣體，例如二氧化硫和氮氧化物，這是很多空氣污染的來源。 非常復雜的示意圖 但其實相比正式的工藝圖 這已經很簡單了 提前說一下核能。核能不同于化學能，這是原子核裂變或聚變產生的能量。不同的原子核的能量不同，這些能量要比原子中的電子能量大得多，所以核反應釋放的能量一般是化學能的百萬倍。舉個例子，中國的大亞灣嶺澳核電站年發電量大約是20億億焦，若中國的電力全部來自核電，我們有大約200個這樣的核電站就夠用了。 其實和火電的后部結構差不多 只是汽輪機的動力核心是核反應堆的溫度 不是煤炭燃燒的溫度 接著是水力發電，這個原理更簡單，水從上游流到下游，自帶能量。將水蓄到一定落差高度，落下來的水驅動水力發電機，這就是水電。 風力發電類似，用風驅動風力發電機。 水嘩嘩地往低處流 水輪機被帶著轉 發電機里的線圈就能在磁場力轉了 最后，光能就有點不同了，光能電板是利用光電效應來產生電能的。那么，什么是光電效應？ 物理學家在做實驗時發現了一個現象：用光照射金屬就可以從其內部打出電子。這并不奇怪。光可以把自身的能量傳遞給電子，使它獲得足夠的能量從而逃脫金屬原子對它的束縛。但奇怪的是，這種現象依賴于光的頻率。在一定頻率之上的光，只要一照就可以從金屬中打出電子；而在此頻率之下的光，無論照多長時間也無法把電子打出來。 這是怎么回事？ 愛因斯坦說，這是由于光本身并不連續，而是由一個個叫光子的微粒組成的。光子的能量取決于光的頻率，頻率越高，光子的能量就越大。 為什么用光子能解釋光電效應？很簡單。如果一個光子的能量比較大，它傳遞給電子的能量也比較大，只要這個能量大到足以掙脫金屬原子的束縛，電子就會立刻從金屬里跑出來。但如果光子的能量比較小，它傳遞給電子的能量也比較小，要是這個能量一直小于逃出去所需要的最低能量，電子就得一直被束縛在金屬內部。 愛因斯坦提出的這個概念很好地解釋了光電效應，而且不僅解釋了實驗現象，還可以用來計算。比如，我們可以通過公式計算出要打出一束光所使用的電流大小。 光具有波粒二象性 作為粒子一面的光子 像女人一樣不可捉摸 擁抱物理新世界 正是利用了這形形色色的物理原理，科學家和工程專家才設計出了各種可以用于發電的設備，為億萬中國家庭帶來夜間的光明與溫暖。 這讓局長不由得感嘆，雖然前一陣由于某些明星偷漏稅事件曝光了巨量的收入，引發了互聯網上人們對科研人員薪資待遇不公的哀嘆。但其實大家并不真的知道這些科研人員究竟在做什么。他們的工作，由于涉及旁人看來復雜難懂的物理學知識，而經常不為人所知，在社會認知度和待遇問題上滯后也實屬正常。 同樣地，一個生活在現代社會，卻因為專業選擇等問題而沒有能夠學到更多物理知識的人，其實也相當于現代文盲，不僅容易被各種新概念公司割韭菜，還有被人工智能取代低復雜度工作的危險。 |
- 關注天氣:
