地球的磁場可以用來發電嗎?|No.184

2020-12-06 中科院物理所

法拉第電磁感應定理告訴我們

磁通量的變化產生感生電動勢

閉合電路中的導體切割磁感線

會產生感應電流

那麼,問題來了

地球作為一個巨大的磁鐵

我們可以利用地球的磁場發電嗎?

1

Q

1×0=0到底是因為1乘任何數都等於原數還是因為0乘任何數都得0?

by 一毫秒的永恆

A這個問題實際上比較辯證。如果在這裡假定「1×0」是實數域上的乘法,我們可以查閱一下實數域的公理:「對每個a∈R,存在R中唯一的元素,記為0,稱為加法零元(或加法中性元);對每個a∈R,存在R中唯一的元素,記為1,稱為乘法單位元(或乘法中性元),使a+0=a,a·1=a」。所以,這個問題如果是在這個實數域公理的框架下回答,那麼答案就應該是,題目中的兩種說法都對。

參考:百度百科:實數公理

By Luna

2

Q

多大的電壓才能擊穿空氣?

by 匿名

A這個問題非常的複雜,這個電壓與需要擊穿(讓氣體導電)的氣體厚度d,氣體的壓強p、溫度T、氣體分子的種類等都有關係。這個式子長這個樣子(是的,非常複雜非常麻煩):

為了直觀地給出我們需要多大的電壓才足以擊穿空氣,可以舉一個特定條件下的例子:在一個標準大氣壓和零攝氏度的條件下,讓兩塊平行板中間厚度為1m的大氣導電,所需要外加的電壓大約為3.4MV。

By Luna

3

Q

徹底擰乾毛巾需要多大的力?

by 月餅

A很遺憾,毛巾是無法被徹底「擰」幹的,毛巾的主要由脫脂純棉製成,主要成分是纖維素,而纖維素中有大量親水性的-OH基,水分子會通過非共價鍵的形式吸附於纖維表面形成結合水,這是毛巾吸水的主要原因。

由於水的表面張力,毛巾中的縫隙也可以儲存水分,可以從毛巾中擰出來的水就來源於此,此時仍然會有部分水分以結合水的形式儲存於毛巾中,可以通過曬太陽來去除這一部分水。

如果非要通過手擰的方式儘可能的達到理想的效果,參考1200轉/分的洗衣機脫水功能,假設滾筒半徑0.2m,毛巾平均質量為500g,我們通過「甩」的方式需要維持約1579N的力,利用此力大約可以舉起161Kg的物體。(嗯...接近69KG級舉重抓舉的世界記錄水平......)而且,這是「甩」不是「擰」,通過甩我們可以將離心力實實在在的作用到水分上,擰並不會直接作用到水分,此時水仍可以通過粘滯力吸附在毛巾上,也就是說,即便我們使出了世界記錄水平的力氣去擰一塊毛巾,也不可能把它擰到像洗衣機脫水過的那樣幹。

By GUOmazing

4

Q

可不可以利用地球的磁場發電?

by 自旋玻

A答案是肯定的,在我們小學二年級的時候就知道了電磁感應現象,如果閉合電路中的一段導線在做切割磁感線運動時就會在導線中產生感應電動勢:E=BLv。

1992年美國「阿特蘭蒂斯」航天飛船進行過一次利用地球磁場發電的實驗,在距離赤道約3400km處發射一枚衛星,之間通過一根約20km的金屬繩連結,在飛船航行過程中進行切割磁感線運動,產生了約3A的電流。所以說利用地磁發電是可行的,但是實現有效率的轉化還是很遙遠。地表最大的磁場強度約68μT,處於南極附近,若兩人牽扯10m長金屬線以正常跑步速度(3m/s)在此冰原上奔跑,會產生約0.002V電壓,這麼點電壓可能不會滿足我們一路火花帶閃電的想像,但是也不要灰心,如果有一個人願意與你在南極牽繩奔跑,還是有可能產生愛情的火花的。

By GUOmazing

5

Q

過冷水和過沸水的原理是什麼,為什麼突然改變液體環境就會導致其凝結和沸騰?

by 匿名

A過冷水和過沸水分別是溫度低於冰點的水和溫度高於沸點的水。從一般的熱力學理論我們可以知道,物體總是偏好自由能最低的狀態。但是對於一杯完全勻質且完全純淨的水來說,大自然實際上是必須要去通過演化來找到這個自由能最低的狀態的。在找到這個狀態的過程中,我們可以想像,所有的粒子,也就是阿伏伽德羅常數級別的粒子必須要從一個運動非常混亂的狀態,通過自己的運動和粒子間相互作用到達一個非常固定的狀態,這件事情非常難發生,以至於現實中我們幾乎看不到。這就是凝結過程需要凝結核的原因。

在有凝結核的時候,也就是各種各樣的小顆粒雜質的時候。以水的結晶為例,實際上晶體並非一瞬間全部凝結,而是慢慢生長的。凝結核分散在液體內部,周圍的結晶就不需要滿足全晶體的勻質而只需要滿足局部的勻質即可,這讓結晶變得簡單很多。

過沸騰水的原理則可以用另一個現象解釋,在水的沸騰中,因為水的壓力,實際上偶然出現的非常微小的水蒸氣氣泡會因為水壓而無法膨脹。而各種各樣的雜質表面一般會吸附很多小氣泡,也有可能液體中本來就已經有了這些小氣泡,這些氣泡已經足夠大而不會被水的壓力控制住膨脹,因而也就可以繼續吸收液體中的水,最終形成了沸騰的時候我們看到的咕嚕咕嚕的氣泡。

綜上所述,在過冷和過熱的水中,相變實際上是需要一些雜質的輔助的,改變液體環境往往引入了這樣的雜質或者小氣泡,這就會瞬間引起液體的相變。

By Luna

6

Q

甘油能自由穿過細胞膜,為什麼甘油能作滲透壓調節劑?

by 匿名

A滲透壓的產生是由於半透膜(只允許離子和小分子物質通過的薄膜)兩側溶液濃度不同,為了防止水從低濃度側無限制地滲透到高濃度側而在高濃度側產生了一個額外壓強。滲透壓與溶液中不能通過半透膜的微粒數目和環境溫度有關。看到這裡你可能產生了如題的疑問,其實,甘油穿過細胞膜可以近似看作某種物質穿透半透膜的情形(實際上細胞膜是一種選擇透過性膜,其透過性不止與物質尺寸有關),當要維持細胞內外的滲透壓時當然不能讓溶質自由出入細胞,否則細胞內外就會達到同樣的濃度,可能會造成細胞吸水脹破或失水乾癟,但如果要調節滲透壓,說明細胞的濃度不處於正常狀態,這時就需要藉助可以穿過細胞膜的物質來調節細胞內外的濃度差達到調節滲透壓的目的。比如我們平時在醫院常見的生理鹽水(0.9%的氯化鈉溶液)和葡萄糖溶液都可作為滲透壓調節劑來使用。當然,不同的滲透壓調節劑會用於不同的情況,這就涉及到一些醫藥方面的知識,在這裡就不討論了。

By 懶懶的下午三點半

7

Q

特效為什麼要用綠幕,而不是辨別度更高的白幕,綠色有什麼優勢嗎?

by 華殤

A摳像的要求是純色背景,純度越高越好,背景越均勻越好,因此理論上來說赤橙黃綠青藍紫任何一種顏色都可以,只要被摳的物體上沒有大面積相近色就好,當然,這個相近是對於計算機的解析度而言的。相對於其他顏色,綠色確實較少出現,同時攝像機感光晶片採集的色彩就是紅、藍、綠三原色。而紅色服飾的演員和物體太常見,所以,藍綠兩色常作為摳像背景,且綠色感光點較多,可採集的信息量也最大,因此被廣泛應用於特效拍攝的就是綠幕了,除非要分離的物體本身就是綠色的,比如植物人[滑稽]。如果你是綠巨人就不用綠幕,當然,也不用特效[Doge]。

權力的遊戲劇照

權利的遊戲實際效果圖

By 懶懶的下午三點半

8

Q

要不要給中二所點個讚呢?

by 官方求贊君

A

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By 中二所

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物理所Luna、GUOmazing、懶懶的下午三點半

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為什麼說「開水不響,響水不開」?| No.183

編輯:不言

相關焦點

  • 地球的磁場可以用來發電嗎?
    我們可以利用地球的磁場發電嗎? 由於水的表面張力,毛巾中的縫隙也可以儲存水分,可以從毛巾中擰出來的水就來源於此,此時仍然會有部分水分以結合水的形式儲存於毛巾中,可以通過曬太陽來去除這一部分水。
  • 既然磁可以生電,為何不用地球自身磁場來發電?
    磁場是一種看不見,摸不著、傳遞實物間磁力作用的場,而我們的地球就是被磁場包圍著。當然,包圍著地球的這個磁場也是看不見也摸不著的,不過在漫長的時光中,磁場始終保護著地球上的生物們。我們知道法拉第電磁感應定理提到:磁可以生電。
  • 為什麼我們不利用地球提供的磁場來發電呢?
    可以用落水(這被稱為「水力發電」)、蒸汽(由煤、石油、天然氣、核能或太陽能產生)、風力渦輪機來旋轉線圈,等等。 在大多數發電機中,線圈每轉半圈,電子就會受到磁踢。在接下來的半圈中,他們會得到一個相反方向的磁踢。這意味著電流的方向在許多循環中保持快速的交換。
  • 地下高溫用來發電,會提早讓地球涼涼嗎?
    準確的說以現代科學的技術水平來說,地熱的利用和發電已經成了一件非常普遍的事情,全球地熱發電裝機容量已經超過50,761.02MWt,這也是一個不小的數字,但從地球內部向地表傳導的功率高達100PW·h,但在絕大部分地區相當分散,難以利用,下文我們就來了解下為什麼不直接去利用地球內部的高溫發電!
  • 地球擁有可以阻擋高能粒子的磁場,為何不利用這個磁場來發電呢?
    大量來自宇宙空間的高能粒子和來自太陽的伽馬射線、X-射線,在到達地球外圍的磁場空間後,就會被反彈出去或者引導到地球的兩個磁極區域,從而最大限度地減弱了對地球表面的高能衝擊,為地表上生存的各種生物的正常生存和發展提供了安全的環境。大家都知道,通過切割磁力線可以產生電流,那為什麼我們不應用地球的磁場來發電呢?
  • 地球因6800℃的內核產生磁場,地球磁場可以逆轉,可以消失
    地球為何能存在生命?我們首先會想到,地球有太陽作為能量來源,地球本身存在水、大氣層、磁場保護,然而追根溯源,地球擁有磁場的情況下,才有可能存在足夠的水和大氣。雖然磁場如此重要,但是磁場看不見、摸不到,我們只有拿起指北針的時候才會想起——哦!地球還有磁場的!
  • 既然地球內部是高溫的熔巖,能否用來進行發電?
    地熱能在地球內部,有著取之不盡、用之不竭的熱能,比如地殼之下10公裡處,就有接近200℃的溫度,而在地幔之中,溫度達到了1000~3000℃,在地球中心處,溫度更是高達6000℃,比太陽表面溫度還略高。
  • 地球磁場真的會翻轉嗎?
    (示意圖/圖片來源:Adobe Stock)我們幻想出了很多世界末日的場景,其中之一便是地球磁場兩極翻轉,導致地球毀滅、人類消亡。雖然科學家說其中的地球毀滅和人類消亡不太可能發生,但是他們一致認為地磁兩極翻轉還是很有可能的,至少他們是這樣想的。歐洲航天局公布的數據表明,地球的磁場在某些區域正在減弱,某些區域則在增強。
  • 人類是否可以感知地球的磁場?
    對於人類是不是能夠感知地球磁場,一直都是科學界激烈爭議的話題,有些科學家認為人類也能如某些鳥類或蜜蜂那樣對地磁變化有反應,但他們始終拿不出有力的證據來證明這一點。迄今為止科學家們都將人類列為磁不敏感生物,因為無論是在人腦組織還是人體的某些部位都沒有發現對地磁敏感的微小鐵磁體。
  • 鹽也可以用來發電!
    鹽也能用來發電,聽過的人恐怕不多。利用海水鹽差能發電生活在海上的人可能十分厭煩苦鹹的海水,但事實上海水本身有很大的能量,能夠發電。將能量轉換能夠為人們造福。滲透壓鹽差能發電系統便是利用這種水位上的落差進行發電。另外一種是蒸汽式鹽差能發電系統。在相同的溫度下,淡水比海水蒸發快,因此海水一邊的蒸汽壓力要比淡水一邊低得多。於是在空室裡面,水蒸氣會很快從淡水上方流向海水上方,只要裝上渦輪機,就能利用該鹽度差能進行發電。
  • 8萬光年外的星系被磁力線環繞,星系發電能夠在未來實現嗎?
    地球的磁場一直在保護著人類,儘管現在磁場方向正在調換,但是卻對人類沒有太大影響。有影響的只是依靠磁場導航生存的地球生物。地磁場除了能夠保護地球,保護人類,它還有有著另外一個作用,這個作用曾經有過物理學家通過實驗體現了出來,但因為技術的限制,該技術沒有完全實現。
  • 地球磁場真的會翻轉嗎?(圖)
    我們幻想出了很多世界末日的場景,其中之一便是地球磁場兩極翻轉,導致地球毀滅、人類消亡。雖然科學家說其中的地球毀滅和人類消亡不太可能發生,但是他們一致認為地磁兩極翻轉還是很有可能的,至少他們是這樣想的。歐洲航天局公布的數據表明,地球的磁場在某些區域正在減弱,某些區域則在增強。這些數據是由歐洲航天局的Swarm衛星收集的,該系列三顆衛星主要用來跟蹤測量地球磁場的強度、指向和變化。
  • 地球磁場:生命的保護罩從何而來?
    若地球沒有磁場,太空的高能粒子就會直接射到地面,殺死所有的生命細胞,那麼地球上的生命將無法生存。因此地球的磁場就好像保護罩,是生命在地球上生存的必須條件。北極光是由外太空的帶電粒子衝擊地球大氣層而產生的現象地球內部並沒有一根巨大的磁鐵,地球磁場是由於地球內部的地核中存在大量流動的電流而產生的(物理課的知識:流動的電流能產生磁場)。這就引出了下一個問題:「這些電流從哪來?」
  • 如果失去地球磁場,地球人類將根本無法生存下去
    如果地球失去地球磁場,地球的晝夜溫差將達到 60℃以上(月球的現狀就可以說明這一點),地球根本就完全不適合人類居住。關於地球磁場逆轉給地球以及地球生物造成影響的(除了巖石具有與現代磁場方向相反的磁性)現象,翻遍地球及生物演化史,你就沒能發現任何相關的蛛絲馬跡。
  • 如果失去地球磁場,地球人類將根本無法生存下去
    這段時間裡,太陽風直吹地球,它會摧毀電網,毀壞人造衛星,擴大大氣臭氧層空洞,極光反射擴大,有些鳥類、魚類和其它遷徙動物將會失去生存的方向。 實際上我們現在對地球磁場形成機制根本就不了解,如果太陽風直吹地球,沒有幾個月就會把地球上的水全部吹乾!如果地球失去地球磁場,地球的晝夜溫差將達到 60℃以上(月球的現狀就可以說明這一點),地球根本就完全不適合人類居住。
  • 地球磁場異常減弱,或與全球變暖有關,地球會變得不安全嗎?
    人們很早就知道,地球的頂端存在兩個極點,地理極點和地磁極點。地球自轉軸與地球南北兩面相交的地方就是地理南北極。人們假想的地球磁軸與地球表面相交的兩點,即地磁的北極和南極。關於地球磁場的問題,多年以來人們都非常關注。而地球磁場發生的變化,科學家們也很早就注意到了。它們發現地磁的強度不僅在不斷減弱,而且地磁北極正不規律地從加拿大向西伯利亞移動。
  • 地球磁場—人類賴以生存的必須環境—第九章 人類和地球磁場
    在工業上和實驗室所用的磁流體發電機亦是按同樣的原理工作的,也是讓電離氣體—等離子體高速通過磁場來發電。在充滿磁場的稀薄等離子體中,帶電粒子只能沿著磁力線自由運動,磁力線的作用類似於導線,可以攜帶電流。太陽風和地球磁層交聯的場線與以磁極為中心的環狀區域相連,可以認為是太陽風—磁層發電機的兩極由磁力線連到了極光區的邊界。
  • 地球到底是如何產生磁場的 為何可以如此持久
    地球內部,有一個發電機,在維持地磁場長期運轉。並且,其中的物質交換和熱量交換,讓它可以十分持久。我們的地球之所以能成為生機勃勃的存在,一個很大的原因在於它有一個可以屏蔽太陽風和宇宙射線中危險帶電粒子的磁場。
  • 網友問:「熱」可以發電,那麼「冷」可以發電嗎?
    目前全球的電能,絕大部分來自熱力發電廠,「熱」可以發電是一個基本常識,於是有人會問了,既然「熱」能發電,那麼「冷」可以發電嗎?這其實是一個常識誤區,熱和冷本身並不是指能量,而是描述物體溫度的相對高低,比如我們說70℃的水是熱的,其實是相對於常溫水而言,而常溫水相對於零下20℃的冰又是「熱」的。
  • 地球磁場真的要翻轉了嗎?
    小行星撞地球、外星人入侵、太陽災難、環境崩潰……我們設想過許多地球毀滅的原因,其中還有一個就是地球磁極翻轉。早前曾有報導提出地球的磁場強度在過去的200年內已經降低了15%,雖然科學家說其中的地球毀滅和人類消亡不太可能發生,但是他們一致認為地磁兩極翻轉還是很有可能的。歐洲航天局最新公布的數據表明,地球的磁場在某些區域正在減弱,某些區域則在增強。