举全国之力收集静电,能取代三峡电站吗?

举全国之力收集静电,能取代三峡电站吗?
2020年01月09日 10:00 新浪科技-自媒体综合

  来源:中国科普博览

  三十多年前,诗人北岛写下心惊胆颤的名句:

  “当我和那些有形的人

  握手,一声惨叫”     

  这首伴着一连串惨叫、以短路告终的诗叫《触电》,我们可以推断,它一定是写于北方的冬天——当西伯利亚冷气团取代了太平洋暖风,干燥的大地就迎来了这个噼里啪啦的季节:梳头发,噼里啪啦,脱毛衣,噼里啪啦,推门把,还要噼里啪啦……

日常静电灾害:毛衣 图片来源“Veer图库日常静电灾害:毛衣 图片来源“Veer图库

  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:

  竟然无法逃避,为什么不将静电收集起来,变废为宝呢?让一两个人用噼里啪啦,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!

  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?

  让我们温故知新,听他们的话。

  Part.1

  我脑子慢,你可别蒙我

  唱衰静电的常见理由为:

  日常静电,电压可高达万伏,但电流很小,连人都电不死,发什么电?!

  话是这么说,细想却有疑窦:

  1、为啥电压那么高?

  发电站累死累活烧火用核,才造得出高压电,我们脱个秋裤电压就上万伏了?

  2、如果电压那么高,为啥电流那么小?

  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?

  3、如果电压那么高,为啥电不死人?

  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?

  有请中学老师,帮我们掸掸理综真题上的灰。

  Part.2

  秋裤上的“高压电”

  先看日常静电产生。

  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)。

  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?

  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。

平行板电容器示意图 (图片来源:slidesplayer.com )平行板电容器示意图 (图片来源:slidesplayer.com )

  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。

  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。

  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。

  所以,谁说电量小,电压就不能很高啦? 

  Part.3

  电流真的小吗?

  再看日常静电放电。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  Part.4

  所以,到底为啥电不死人?

  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。

  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?)……

电流、时间与导致心室纤颤概率的关系图(国际电工委员会)电流、时间与导致心室纤颤概率的关系图(国际电工委员会)

  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。

  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。

  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。

  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。

  Part.5

  满足家庭用电?取代三峡电站?

  下面做些可笑的计算:

  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)。

  再假设其释放的能量还能百分百收集起来(这是不可能的)。

  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。

  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?

  53度。呵呵。

  Part.6

  众志成城怎么样?

  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。

  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?

  244亿度。呵呵。别做梦了!

  除非你是它——

图片来源:https://cn.bing.com 图片来源:https://cn.bing.com 

  Part.7

  日常静电电能这么小,要你何用?

  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。

  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。

  王老师是造摩擦纳米发电机(TENG)的开山掌门。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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、嘚比嘚和噼里啪啦发电的机器早日产业化。

  出品:科普中国

  制作:银河路16号团队

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  (本文中标明来源的图片已获得授权)

  本文来源于”中国科普博览“公众号(kepubolan),转载请注明公众号出处

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