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为什么雷电波遇到一个分闸的开关时, 电压要上升一倍
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为什么雷电波遇到一个分闸的开关时,电压要上升一倍

September 10, 2015 • Columns, Commentary from Professor Zhang, 最近文章汇总

这一期有一篇回顾避雷器的技术和 应用的文章,在这篇文章中,提 到了双倍电压效应的概念,即在电路的开路点,电压波会抬高一倍,本文想海阔天空地谈谈这个问题。在我们的生活中有这样一些概念,它们的应用非常普遍, 它们为我们提供了许多帮助,但是我们一直不去深究它 们的确切含义。在这些概念中,最突出的首推波的概念。 在日常生活中,我们会遇到各种各样的波:海洋湖泊中的 水波,空气中传播的声波,抖动绳索时的机械波,电视塔 中发出的电磁波,地震中的地震波。但是,波究竟是什么 呢?显然波不是水,不是空气,不是绳索,不是电视塔,更 不是地壳。的确,要把波这个概念解释清楚,还真不是一 件容易的事情。 让我们从最熟悉的抖动绳索开始。将绳索的一端固定, 用手握住绳索的另一端,将它上下抖动,我们就会看到一 个接一个的波形沿着绳索连续地传播过去。人抖动绳索 需要付出能量,绳索由一开始的直线变成了一个个具有 波谷波峰的曲线,说明能量会沿着绳子传播。分析上面的 现象,我们可以得出:振动产生了波动。先有"振"才有" 波",波是振动状态的传播,由于绳索还是在原处,所以 波不是绳索本身的传播(在讨论波时,绳索可以称为介 质),而是把人的振动的能量通过绳索(即通过介质)传 播开来。 我们知道,自然界中的振动不只限于上面的机械振动,物 理学中把任何一个物理量在某一个定值附近的反复变化 都称为振动。例如电压是一个物理量,如果它在某一个平 均值附近反复变化着,就可以称为电压振动。 下面来讨论电磁波。电磁波与电磁场有关,因此先讨论电 场和磁场。我们的祖先通过观察和研究,发现了电荷的存 在,更为重要的是:他们还发现了带电物体间存在着力, 这种力称为电力。人类对自然界的磁现象不如电现象那 样能够经常感觉到。但是,当我们手里拿着一块磁铁与一
块铁块时,我们还是会感觉到:它们之间存在着一种特别 的力,这种力称为磁力。 大自然中存在着电力和磁力,那么人们如何去研究它们 呢?在这方面,人类表现出了极大的智慧。他们说,在空 间中引入电荷就会发现有电力存在,那么在空间中一定存 在着另一个东西,这个东西就是电场,而且这个电场与电 荷伴随而生。同时他们还将电荷在其周围伴随电场这一 个观点,作为讨论所有相关问题的出发点和基本原则,所 以我们将来看到"电荷"这两个字眼时,头脑里应该立马 想到"电场",它们之间可以划等号。我们还应该注意:如 果只停留在静电学的领域(即电荷不动),那么电场概念 纯粹可以看做是假设的概念,引用它,只是为了描述电现 象的方便,或者说使用电场的概念后,电现象就会变得容 易研究得多 。 现在我们让电荷动起来。运动电荷之间的相互作用比静止 电荷的相互作用要复杂得多,因此我们更应该仿照上面的 做法,引入电流的磁场的概念(因为电流产生的场与恒定 磁体所产生的场是一样的)。同样,在恒定电流学说的范 围内,电流磁场的概念也可以看做只是为了便于描述磁现 象而引入的假设的概念。 我们曾经说过:振动会产生波动。所以,如果电场在某一 个定值附近振动,就可以形成向四周传播的电波;同样, 磁场的振动也可以形成磁波。我们又知道,波的传播需要 介质,在绳索抖动形成的波中,绳索是介质,而绳索是一种 实体。但是在电波和磁波中,传播波的介质是什么呢?19 世纪的科学家花了大量的时间和精力来寻找这种介质,后 来发现,这种介质竟然是一开始用来简化问题而假设的电 磁场。而且更有趣的是,电磁场不是实体!即传播电磁波 的电磁场竟然是完全不存在任何实物的“虚空”。真是名 副其实的“无中生有”!奇怪吗?其实一点也不奇怪。自然 界的现象中充满了这样的对立统一,有些波的介质是实 物,那么一定存在着某些波,它的介质必定是非实物的, 这个结论不容怀疑,这就 是大自然的本来面目。
在过去相当长的时间内,电现象和磁现象是分别研究的, 后来的研究者发现变化的磁场可以产生电场,再后来的 研究者又根据自然界的对立统一规律预言:变化的电场 也可以产生磁场,这种预言后来也得到了证实。于是,当 空间某一点的电场或磁场一旦变化,就有一连串的变化 的电场和磁场产生,一环连着一环,交替出现并向四面八 方传播开来,这种运动形式就称为电磁波。 在电磁波中,我们设电场的变化方向为X轴,有趣的是:电 场产生的磁场一定在Y轴,而两者形成的电磁波的传播方 向一定在Z轴。这又是为什么呢?请大家不要追问,就好 比我们不会追问,为什么人脸上的五官会如此布局。因为 这就是自然界的和谐。 由于电场和磁场同在一个XY平面上,它们形成的电磁波 称为平面电磁波。在电力系统中,我们把能产生对设备绝 缘危险的电压都叫做过电压,而大部分过电压问题的研 究都要涉及到电磁波的流动。 在介质是实物的波中,实物的大小可以决定波的传播速 度,而在介质是非实物的波中,由于没有实物存在,所以 其传播速度到达了极限,即电磁波的速度必须而且只能 是光速。 我们以前说过,波传播能量,不传播介质,因此当雷电波 击中输电线时,就会在附近的空间产生电能和磁能。讲到 能量,还想再多说几句,记得当初学习力学的时候,总是 觉得依据牛顿三大定律,已经可以解决所有的力学问题, 为什么还要塞进来一个抽象的"能量"来困扰我们呢?在
电场的学习中也是这样,用电场强度,即从力的角度来描 述电场的基本性质已经足够了,为什么还非要用电势,即 从"能量"的角度再来描述电场呢?随着以后的学习内容 越来越广泛、越来越深入的时候,才发现:只有"能量" 这个概念,才能够出现在所有自然科学的领域中,它是一 个能够把各个自然科学的分支有机地联系在一起的物理 量,这时候对"能量"的敬重之情才油然而生。能量有一 个很好的性质:这就是在各种运动形式的相互转化中,总 是存在着一个不变的量,这个不变的量就是能量,能量既 不能凭空产生,也不能凭空消失,它只能从一种形式转化 为别的形式。多么朴素的语言,这就是被誉为19世纪自然 科学三大发现之一的能量的转化和守恒定律。 现在,终于可以回答为什么雷电波遇到一个分闸的开关 时,电压要上升一倍的问题了。因为开关打开,电流必须 为零,又因为能量的转化和守恒定律,电流产生的磁场能 量不能消失,它只能全部转变为电场能量,在电磁场中, 两者的能量各占一半,从而使电压上升一倍。你们看,在 以前学习中感到多余的能量概念,在这里却轻而易举地 解决了一个棘手的难题。同样,当雷电波走到一个接地点 时,由于接地点的电阻比起雷电通道的波阻来说,可以认 为是零,因此在短路点电压必须为零,又根据能量转化和 守恒定律,全部的电场能量要全部转变为磁场能量,所以 电流增加一倍。
张德赛 INMR中文刊主编 武汉大学电气工程学院

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