電力趣事 | 趣味電學原理系列(四)電流為何產生光和熱?

前面3期我們介紹了電的一些基本概念,今天我們來介紹電的應用。下面這些生活場景,不知道你有沒有思考過:

電流流過白熾燈,為什麼會產生熱?熱又是怎麼轉變成照明的光呢

電力趣事 | 趣味電學原理系列(四)電流為何產生光和熱?

電究竟怎麼產生熱的呢?在物理學界,

這是由於構成物質的原子不斷振動(熱振動)所致

。熱振動的大小即為溫度的高低,熱振動所具備的能量即為熱的真實面貌。這時,有人或許會納悶:那如果物體沒有發生熱振動,溫度就會消失嗎?沒錯!那種情況下的溫度稱為”絕對零度“,相當於-273。15℃。

絕對零度是溫度的極限,當達到絕對溫度時,所有原子和分子的熱量運動都會停止

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之前提到過,

負載具有妨礙電流流動的電阻性質

。其實,那是由原子振動造成的。而原子一旦振動,內部的電子就難以移動。振動越快,溫度越高,相應地電阻率越高。以作為電線材料的銅線為例,常溫下,銅線導電效能較為優越,但還是有一些電阻的。

不過若將銅線的溫度降至絕對零度,則銅的原子會變為靜止狀態,電子就不會和銅的原子發生碰撞,從而得以順暢流動

。這種現象就稱為”超導現象“。

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常溫下,電流在銅線中流動時,電子會和銅原子激烈地碰撞,使振動急劇加大,於是產生熱量。此外原子的振動變大,導致電子無法順暢地移動,因此電阻也會增加。一般而言,

金屬在溫度上升後,電阻會變大;溫度下降後,電阻會變小。

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如果你對上面的知識還不能直觀地理解,那請想象你在高鐵車廂中走動情況。在車廂內走動時,如果你周圍的人靜止不動,你就能很順暢地透過。反之,若周圍的人都在無序走動,為了避免撞到別人,你是不是就無法輕易走動了。你把自己想象成電子,周圍的人都是原子。雖然身旁的人都在移動,但若強行透過的話,便會碰到很多人,而周圍的人的動作也會因此變大!

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說完”電如何產生熱量的“,我們再來聊聊”熱是怎麼轉為光的“。首先,我們已經知道了,電流經電阻,溫度就會上升從而發熱。在這一過程中,最初會放射出人肉眼看不見的”紅外線“。科普一下,紅外線也稱為”熱線“,是具有熱能的電磁波之一,而電磁波依據波長不同可以分為很多種類。

通常我們說的可見光,指的是波長從780nm到390nm的電磁波

。人眼可見的可見光依波長不同,顏色也會隨之變化。

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再回到正題,物體受熱會放射出紅外線,若溫度在上升後,則會放射出可見光。

像這樣物體溫度上升,熱能以電磁波的形式被放射出來的現象,就稱為”熱輻射“

。目前,家用的白熾燈泡的發光就是利用這一原理,所以我們靠近白熾燈時,會感受到相當熱。

電力趣事 | 趣味電學原理系列(四)電流為何產生光和熱?

熱輻射在低溫時會釋放出紅光,溫度上升後,則會變成偏藍白色的光

。由於透過熱輻射原理所造成的發光,幾乎都會轉換成熱能,選擇這類發光源,其實能量轉換效率較差。與之對應的是另一類光源,我們將熱輻射以外的發光稱為”冷光“。

所謂冷光,是一種電能轉換為光能的現象,由於在轉換過程中不會發熱,所以一般稱為冷光

。它因發熱造成的能量損失較少,所以效率較佳。生活中最典型的冷光源電器就是日光燈。

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日光燈是如何發光的呢?

燈絲通電放出電子,電子會在燈管內和水銀原子發生碰撞,所產生的紫外線碰到塗在燈管內側的熒光物質後,便會形成可見光

。另外,由於日光燈的發光效率較佳,以相同的耗電量,可發出比白熾燈泡高出4倍以上的光!

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