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高电压绝缘与 量子力学

November 12, 2015 • Commentary from Professor Zhang, 最近文章汇总

《高电压绝缘》是高电压技术专业重要的一门基础课, 它主要是分析研究 高电压下的电气绝缘问题。绝缘的作用是将电位不同的导体分隔开来, 从 而都能保持不同的电位。因此绝缘是电力设备结构中的重要组成部分, 具 有绝缘作用的材料一般称为电介质 (也常常称为绝缘材料), 而这些材料构 成了电力设备的绝缘结构。   为了设计出技术先进、经济合理而又安全可靠的绝缘结构, 必须掌握各 类电介质在电场作用下的电气物理性能, 尤其在强电场中的击穿特性及 其规律, 然后依此规律进行绝缘结构的设计:例如选择结构的形式和确 定绝缘尺寸等, 在《高电压绝缘》中, 最关键的一章内容就是气体击穿的 理论分析。在这一章中, 首先就谈到了原子的激励和电离, 要了解这些内 容需要知道原子的结构、原子的能级和光电离。书中提及光是频率不同 的电磁辐射, 它具有粒子性, 即同时又象质点, 称为光子, 光子的速度为 c = 3 x 1010 cm/s, 而其能量决定于其频率v, 具有W = hν所示的关系。式中 h是普朗克常数 h = 6.62 x 10-34 J. s, 而波长λ和频率ν的乘积是电磁波传播 的速度, 即光速 c = λν。   书中另一篇重要的章节是:液体、固体电介质的电气性能, 其中谈到了原子 结合成分子的方式, 其中必不可少的概念就是电介质的化学键, 在高电压 绝缘中具体可分为离子键和共价键。   上述概念其实都是属于量子力学的范畴, 但是知道这部分内容的人太少了, 就连专门学物理的大学物理系的学生, 也只是到了三年级才较系统地学习 量子力学课程。而对于高电压技术专业的本科生、硕士生甚至博士生、乃至 于许多教师都缺少对量子力学的基本认识, 造成这种现状的原因是认为:量 子力学太难懂了, 太深奥了。   量子力学难懂的原因有两条。第一是因为在微观世界中有很多事情同我们 的宏观世界不同, 因而同人们的生活经验和思想方法格格不入;第二是由 于量子力学是一门定量的物理理论, 表达规律、说明现象和进行逻辑推理, 都离不开数学公式, 数学公式一多, 就显得难懂了。 本文想略微谈谈什么是量子力学。相对论和量子力学是20世纪现代物理 学的两项重要理论, 被称为现代物理的两大支柱。量子力学是微观世界的 根本规律, 正如牛顿定律、库伦定律等等是宏观世界的根本规律一样, 量 子力学是微观世界中能量不太高的微观粒子, 特别是电子所服从的运动规 律。不同的原子核和电子构成各种原子, 其中有很复杂的规律。几种原子 又能构成千百万种形形色色的分子, 有复杂的规律, 原子或分子又构成各 种各样的物质, 也有很复杂的规律, 而这些复杂的规律统统要受量子力学 的支配。在17世纪末叶, 牛顿建立了力学的定量理论, 提出了运动三大定 律和万有引力定律, 解决了行星的运行问题。此后物理学不断发展, 热学、 流体力学、声学、光学和电磁学的定量理论相继建立。两百年后, 到了19世 纪末叶, 有关宏观世界运动发展规律的定量理论已经完全建成, 这些理论 现在被称为经典物理学。

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