本文为电磁学部分的演示实验系列之一，共10个视频，主要涉及法拉第笼，电流传输原理，电动火车和磁悬浮等，本文对其中几个做现象介绍和原理解释。
说明：视频来自网络，文字为原创。
法拉第笼以英国物理学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday，1791-1867）的名字命名，他于 1836 年首次制造了法拉第笼。法拉第笼之所以能发挥作用，是因为外部电场会导致笼子导电材料内的电荷以某种方式分布，从而抵消笼子内部电场的影响。这种现象可用于保护敏感电子设备免受外部射频干扰。演示者是MIT的物理学教授，他通过此实验说明静电屏蔽的原理，他还解释了为什么在闪电时呆在汽车里是安全的。上面是著名科普博主Veritasium（真理元素）制作的一个关于“电流是怎样传输的”科普视频。本视频讲的非常详细，是他们之前一个视频的改进版本，博主主要想澄清以下几个问题：（1）电能是通过电磁场在空间中传播的，而不是靠电子的运动来输送。但为何还需要导线呢？没有导线，电磁场就会弥散在整个空间中，通过导线，空间的对称性被破坏，沿着导线的方向成为电磁波传输的优势方向，有助于电能被高效的传输。虽然无限输电也是可能的，但是目前尚未成熟，因为沿路的损耗太大。 （2）开关闭合或者虚晃一刀，都会导致电路中的电荷重新分布，这个过程会激发变化的电磁场，导致的电磁波以开关为中心，以接近光速的速度向四周传播，受这一电磁波影响的导线即会接收到能量，当能量足够时，就会出现可观的电流。因此灯泡发亮的时间只取决于开关与灯泡的距离。 （3）针对有人提出，灯泡不可能在1/c的时间内亮，要么灯泡本来就是亮的，因为空间中总有泄露的电磁能量，或者空间中本来就存在微弱的电磁波噪声。通过实验，博主证明了灯泡第一时间接收到的电流电压远高于漏电电流或背景噪声，而是与电源电压在同一数量级。实验中电源电压20V，负载电压在第一时间达到了5V，足以驱动合适的灯，例如小功率的LED灯。 （4）针对有人提出，博主之前的解释违反因果律。博主认为这并不违反因果律。他的理由是：因为在1/c秒之后，即使此时电路在远方断开，只要在开关处发出的电磁波抵达断点再反射回来之前的时间内，电路的表现与未断开的电路完全一致，此后灯泡才会逐渐熄灭。也就是说，至少要经过以光速往返的时间才能探知到远方的电路是否断开，这并不违反因果律。 （5）博主还针对电磁波的解释不够好懂的缺点，采用了一种改进的策略来解释，即经典的集总电路模型。在电路中加入大量电容、电感来描述电磁场变化对电路的影响。这样便可非常简单解释为何灯泡会很快发亮，显然这样就好理解多了。上面的视频展示了电磁火车的有趣实验。器材有三，一个小电池，作为电源，使用一段无漆铜线或铜管弯曲成螺旋形，作为火车的“轨道”，在电池两端安装强力的钕磁铁。磁铁的相同的极吸附在电池上，所以就有相同的两极处于两端，当把它们放入螺线管时，磁铁接通了螺线管电路，形成的磁场的两极与火车两端的极性一个相同，一个相反，这样一端是排斥力，另一端是吸引力，火车就开动起来了。磁悬浮（Magnetic Levitation）的原理是通过电磁力使物体悬浮在空中，并能在没有机械接触的情况下实现高速运动。磁悬浮技术的核心在于利用电磁场产生的排斥力或吸引力来对抗重力。磁悬浮的基本原理是电磁感应和磁场的相互作用。根据法拉第电磁感应定律，导体在磁场中运动时会感应出电流，而这电流会产生一个与磁场相互作用的磁场。通过设计，这种磁场可以用来产生悬浮力。磁悬浮有几种不同的技术实现方式，常见的有电磁悬浮（EMS，Electromagnetic Suspension）和电动力悬浮（EDS，Electrodynamic Suspension）。在磁悬浮列车的应用中，磁悬浮的推进力和制动力是非常重要的，具体读者可自行查阅有关知识。YBCO是一种高温超导材料，全称为钇钡铜氧化物（Yttrium Barium Copper Oxide），化学式通常为YBa₂Cu₃O₇或者YBa₂Cu₃O₇−x。它是第一种在液氮温区（77K，约-196°C）表现出超导性的材料，因此被称为“高温超导体”。在上面的视频中，博主通过使用液氮冷却YBCO化合物，将它变成超导体。而根据迈斯纳效应，超导体在临界温度下进入超导状态时会排斥外部的磁场，使磁力线无法穿过超导体。这一效应使得超导体在磁场中会产生强大的排斥力，从而形成悬浮现象。在实际的超导磁悬浮火车中，轨道中还包括侧向磁铁和线圈，确保列车在高速行驶时能够稳定悬浮，避免偏离轨道。在这个有趣的实验中，水银被放置在一个木盘内，两侧有两个铝圈，中心有一个圆形磁铁。当电流流过铝导体时，它会产生磁场。这种情况会导致水银旋转，因为它是一种导电性很强的金属。工作电压约为2V的直流电，电流为27-28A，由逆变器控制。水银的旋转速度取决于供应的电压。随着张力的增加，水银从碗中逸出。注意，该系统在交流电中不工作。视频中的白色粉末是滑石，它使本来可见度不高的水银的的运动更加清晰。这个视频里共有9个小实验，所有的实验都基于静电学原理。一般来说，越是干燥的环境，这些静电实验的效果越好。（1）悬浮板（材料：聚苯乙烯泡沫板和一块布）聚苯乙烯泡沫板非常适合静电把戏。当给它们一点电荷，并把一个放在另一个上面时，难以置信的阻力就体现出来了。（2）Can Can Go（材料：一个可乐罐、PVC管和一块布）这是一个非常经典的静电实验，很有趣。可以试着把罐子站起来，然后用静电把它翻过来，或者试着同时拉两个罐子。（3）粘附（材料：一根小木棒、玻璃罐、线、胶带、PVC管和一块布）这个很有趣，因为有一半的时间木棒会朝着PVC管走，而其他时候，它会远离管道。当它移开时，它会粘在罐子的侧面并停留一段时间。使用尽可能大的罐子可能更好玩一些。（4）气泡问题（材料：气泡溶液、复合玻璃、PVC管、吸管和一块布）。这是一个有趣的小实验，当PVC管靠近时，气泡会改变形状并移动。在气泡内制造气泡以观察静电的影响。还可以在片材上制造多个气泡，它们都会向管道移动。（5）跳舞的球（材料：聚苯乙烯泡沫球、铝箔、有机玻璃、布）当有机玻璃板被充电并放置在球上时，它们都会跳起来并粘在玻璃底部。有时，它们会零星地四处移动，直到最终稳定下来。但是当你把手指放在玻璃附近时，它们就会开始跳来跳去。用这些球和聚苯乙烯泡沫板/杯一起使用也很有趣。（6）水弯管机（材料：一个可以戳洞的杯子、水、PVC管和一块布）一个有点老的实验，但依旧很有趣。（7）气球大战（材料：气球、线、PVC管和布）当条件合适时，气球几乎可以在管子上漂浮，还可用带电的管子推气球。（8）验电器（材料：钢丝、罐子、吸管、铝箔、PVC管和一块布）在这个视频中看到，在离罐子几英尺远的地方，用布擦pvc管，这帮助它带电。当你运动管子时，罐子里的铝箔片就会移动。即使站在5英尺远的地方，仍然能看到效果。（9）Wingardium Leviosa（材料：非常轻的重量/薄的塑料袋、布、PVC管）塑料片可漂浮在管道上方大约一英尺高的地方。用一个简单的购物袋，效果就很好，整个袋子都会被悬浮起来。一共9个关于磁的小实验，分别是：（1）慢落球（2）悬停笔（3）沙上写字（4）转轨器（5）磁性腻子（6）高斯枪（7）磁开关（8）太阳能系统时间（9）巨型悬浮装置。上面的视频借助世界上最大的范德格拉夫发电机来演示，场面令人震撼。博主演示了法拉第笼的静电屏蔽效果，即所谓的电荷的趋肤效应——电荷都倾向于呆在外面，空腔内没有电荷。所以，当博主触碰笼子内部时，虽然看起来有点吓人，但他是安全的。
来源：物含妙理
编辑：yhc
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
如需转载请联系原公众号
