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第730节（第1页）

13.当波源运动时，对固定位置的观察者而言，波的频率发生变化。比如波源频率是10Hz，波速100米秒。1秒内有10波峰经过观察者，当观察者以100米秒的速度靠近波源时，1秒内就观察到20个波峰！对观察者而言频率增加了一倍。以50米秒的速度远离波源，则1秒内观察到5个波峰，频率为实际的一半。最早是由奥地利人多普勒发现的，称为多普勒效应。现在高速路上检测超速，就是使用多普勒雷达进行。医疗上使用多普勒效应来判断血液流动的速度，叠加在B超上，就成为彩超。

梅乐芝经理的科普文章（十一）

第11节电磁波

现代社会已经无法离开电。人类最早可见到的电就是自然界的闪电，琥珀和毛皮摩擦产生电的效果也见诸文献，古希腊的泰勒斯曾描述过。

前面讲述了物质的组成。当原子的内部结构明确后，这些摩擦生电的原理就很清晰了。某些物质对电子的吸引力较小（羊毛），失去了原子中的一些电子，聚集在那些对电子吸引力大物质上（琥珀）。这些多余的电子会诱导小物体（纸片）的电子趋向远离，导致靠近电子的区域带正电（称为电荷感应），正电和负电相吸引，使得小物体被吸到带电物体上。为了统一称呼，电子称为负电荷，失去电子的原子称为正电荷。

夏日多雨，天空中经常出现闪电。高速暖湿气流和冰晶摩擦，导致双方大规模的电子转移。当电子聚集足够多时，正负电荷之间的空气也发生电子转移，某些气体分子失去电子，某些分子得到电子，导致正负电荷之间形成一条通路，使得正负电荷相会。称之为空气击穿。在我们眼中，就是闪电。有时候大块云朵都是同一种电荷，附近没有释放对象。这时候就有可能对地面放电。当带电的雷雨云临近时，电荷感应会使得地面的树木、建筑带上相反电荷。某些情况下，电荷太多，导致建筑的尖端出现电光，称为电晕放电。现在我们谈论的都是静止的电荷，简称静电。但电荷流动时，可称为电流。

多数金属都可以导电，称为导体，电荷可以自由通过。电荷无法自由通过的称为绝缘体。我们制造电荷感应的材料都是绝缘体。还有一类材料称为半导体，西南介于导体和绝缘体之间。

观察：

人体剧烈运动后，容易带电。冬天空气干燥，是良好的绝缘体。身着大量衣物，而且衣物鞋子也都是绝缘体。所以在冬天人体电荷就容易积攒下来。还可以表演特异功能，让旁人把水龙头开细细的水流，用手指靠近水流，发现水流弯曲了。（静电多的人，触摸集成电路可能会造成破坏。）

复印机，就是静电的应用。1.给复印鼓充满负电荷。2.强光照射被复印对象，反射至复印鼓上，白色反光照射的地方变导体，导致充的负电消失，无反射光的地方继续保持负电。3.使用复印鼓吸附碳粉，则有电荷的区域有碳粉。4.给纸张上充更多的负电，将碳粉吸到纸张上。5.高温下，碳粉完全融入纸张。完成复印。摸摸复印出来的纸，还有点热呢。

避雷针，是高层建筑都必须有的设施。避雷针下面通过氧化锌接至地面。平常时氧化锌保持绝缘状态。雷雨云经过，大量感应电荷集中在避雷针尖时，当闪电发生时，瞬间高压下氧化锌变为导体，使闪电电荷被释放到地面上。同样雷雨天气，旷野中人就成为天然避雷针，因此要避免雨天在旷野中行走。

飞机在飞行过程中，外表金属和空气、云雾摩擦，产生大量电荷。在降落时，需要将这些电荷放掉。所以飞机的轮胎是可以导电的。长途汽车后轮附近有铁链拖着地面，可以防止静电积聚，特别货物是易燃物品时。

现代工业生产会产生大量废气，同时伴随着大量烟尘。使用静电过滤装置，就可以大幅度降低空气中烟尘的排放量。

现在干电池还经常使用在照相机，手电筒，电子打火器等场合。干电池的原型是意大利人伏打最早制作。铜片和锌片浸泡在盐水中，就持续产生电，多组铜锌对串接起来，构成伏打堆。就是最早的电池。电池的唯一好处就是便于携带，在没有电力供应的场所可以使用。

观察：

有考古论证，在2000多年前，两河流域就有原始的铜铁电池，波斯人用来电镀。无论原始还是现代，电池都是金属和导电液的混合，当电池电力耗尽时，随意乱扔造成污染问题。因此废旧电池要专门收集。

原始电池和早期电池都是只有使用一次。后期出现充电电池，镍镉、镍氢、锂电池等类型。其中锂电池没有记忆效应，容量大，只是价格稍贵。是日本人吉野彰于1985年研制成功。汽车的蓄电池要求功率很大，一般使用铅酸电池。

动物在演化中，某些种类也可产生电，作为捕猎和防御武器。浅海电鳐、亚马逊电鳗、刚果电鲶都可以产生高压。体内都是大量伏打电堆叠加。

天然磁石对铁有吸引力。在人类文明进入铁器时代（最早赫梯文明公元前1400年）后可能更易发现这一现象。因为地球也可当作大磁铁，因此条形磁石指向地球的磁极。由于磁极和地理上的南北极相差不远，可近似当作南北方向。因此磁石就可作为方向指示器。司南就是最早的方向定位工具。

电荷有正负之分，磁极有南北之别（N表示北，S表示南）。同样是同性相斥，异性相吸。区别在于正负电荷可单独存在，磁铁永远都是南北共存。铁被磁石吸引，也能产生磁性。后来发现钴和镍也有同样属性。现在实验使用的磁铁，都是经过磁化后的钢棒。

丹麦人奥斯特发现电流可以对磁铁产生作用。法国人安培证实了电流对电流也有作用。表明了电和磁可以相互作用。现代常用电产生强磁性，称为电磁铁。

实验表明，铁以及类似材料的磁性效果，是因内部存在大量微小的磁性单元。每个磁性单元就像小磁铁一样有磁性，分南北极，称为磁畴。但整体是杂乱无章地分布，导致整体无磁性。当外加磁铁后，这些磁畴按照外加的南北极方向重新排列，出现磁性。

观察：

地球磁场非常重要。太阳的核反应带来了光明，同时也带来了灾难。太阳日冕层的带电粒子运动速度非常快，大量离开太阳四处分散，称为太阳风。这些高速带电粒子抵达地球附近时，因磁场影响，而绕开地球继续前进，少量受磁场影响，在两极附近进入地球，和大气层发生碰撞，形成极光。如果地球没有磁场，则大气层直接遭受太阳风的轰击，水蒸气在紫外线和带电粒子作用下被分解为氢和氧，氧和其他物质结合，氢气被吹走，导致地表的水全部丧失，生命无法存在。金星和火星的大气成份主要都是二氧化碳。两个星球都没有磁场！不过金星大，浓密的二氧化碳维持了大气层的存在。火星小，只剩下微薄的二氧化碳。地球没有磁场时，估计大气层浓密程度介于金星和火星之间。

太阳风的直接证据在靠近两极附近才能看到。但是其他地区的人可以观察彗星，找到太阳风存在的证据。彗星在远离太阳时，整体是个脏雪球。看不到彗星尾巴。当彗星靠近太阳时，太阳辐射使得彗星产生表面大量气体，这些气体在太阳风的吹拂下，形成的彗尾都是向着远离太阳的方向。和太阳的距离越近，尾巴越长。如果不存在太阳风，则彗星应当是逐渐膨胀起来，而不是形成尾巴。

彗星每次来临，都意味着损失部分物质，很快彗星就彻底消失了。而地球存在了46亿年，还有彗星出现，说明存在彗星发射基地。在太阳、木星、临近恒星引力的变动下，某些彗星时常发射进入太阳附近。因木星的影响，少数就改变环绕轨道，成为我们定期可见的彗星。这个彗星发射基地一般称为柯伊伯带，还有一些只光顾太阳一次的彗星，来自更远的基地奥尔特云。事实上，地球上的水很可能是都是这些早期彗星的馈赠。

地球的内核是流动的液体金属铁，地球的磁场形成有多种理论，较多被接受的看法是：因地球自转，内部的流体之间因密度和热分布不同，产生对流（比较旋转一个生鸡蛋和熟鸡蛋的差别）。对流使得局部流动速度存在差异，当地球存在杂散的磁性时，这些存在速度差的导电体就产生电流，这些电流的流动进一步增强了磁场。对恒星的观察表明，这些存在强磁性的恒星，旋转速度都很快，磁性变化很快，说明磁性的产生是动态的。水星自转相当于地球的59天，形成很弱的磁场（水星虽然小，但内部铁核是最大的）。金星的自转相当于243天，没磁场。火星自转基本和地球相同，但体积太小，内部冷却，磁场接近0.木星自转10小时，磁场是太阳行星中最强的。

铁钴镍可以产生磁性，并且维持不变。称为永久磁铁。但磁性并不强。人工使用稀土元素混杂其他元素，制造了磁性非常强大永久磁铁。钕铁硼磁体是1982年日本人佐川真人制造。硬盘、手机、耳机中到处都是这种超强磁铁。缺陷是不耐高温。后来发明者在钕磁铁中添加镝（重稀土），可增加温度耐受度，但稍稍降低了磁性。世界上稀土元素储量少（中国占世界储量37%），不可再生，所以基本都是中国生产（2009年97%），尤其是重稀土。

磁铁中的磁畴方向一致性越好，磁性越强。当温度升高时，分子热运动可能会导致磁畴方向混乱，降低磁性。当温度越过居里点时，磁畴彻底混乱，磁铁丧失磁性。

万有引力、电荷引力和斥力、磁极引力和斥力，都不需要物体接触，表现出一种超距效果。为了描述这种表观上的超距作用，引入了场这个概念。物体都有引力场，电荷都有电场，磁铁都有磁场。各种超距作用不过是物体和场之间的作用。成语气势汹汹，说明人对他人精神的一种感觉。说某人气场很足，并不是此人有特异功能，而是此人自信的精神面貌对他人形成的一种印象。或者说因利害关系形成的精神威压。如果双方不存在这样的关系，威压自然就不存在。万有引力是所有物体都存在的，所以引力场不可避免。但电场和磁场只能对电荷、磁体产生效果。我们前面叙述了磁场时，使用磁性来表述，在理解时，全部以磁场来替换。

法国人法拉第于1831年发现电磁感应，就是当导体和磁场存在相对运动时，导体内产生电流。而导体内通电流可导致导体中磁场中运动。机械运动可以产生电流，机械功转为电能。同样电能可转为机械能，这成为电气时代的起源。电流在导体中流动，就是电子在运动，与导体中振动的原子发生碰撞，导致被碰撞原子运动速度加快，宏观表现就是导体发热，温度升高。我们使用电阻来描述碰撞对电子的干扰。

思考：