举全国之力收集静电,能取代三峡电站吗?

作者: 银河路16号团队

来源: 中国科普博览

发布日期: 2020-01-10 14:39:38

本文探讨了日常静电的产生、放电及其收集利用的可能性,通过科学分析和计算,指出虽然日常静电的电压高,但由于电量小,电流峰值大但放电时间极短,因此电不死人。文章还提到了利用纳米技术收集静电电能的可能性,并进行了一些荒谬但有趣的计算,展示了静电发电与三峡电站发电量的巨大差距。

三十多年前,诗人北岛写下心惊胆颤的名句:“当我和那些有形的人握手,一声惨叫”。这首伴着一连串惨叫、以短路告终的诗叫《触电》,我们可以推断,它一定是写于北方的冬天——当西伯利亚冷气团取代了太平洋暖风,干燥的大地就迎来了这个噼里啪啦的季节:梳头发,噼里啪啦,脱毛衣,噼里啪啦,推门把,还要噼里啪啦……日常静电灾害:毛衣。

在又一次把自己电得活蹦乱跳,读完又一篇如何防静电的科普文之后,你肯定想过:竟然无法逃避,为什么不将静电收集起来,变废为宝呢?让一两个人用噼里啪啦,撑起一个费电的家,让全北方摩擦摩擦的人民联合起来,取代南方发电的三峡?古有中学物理老师告诉我们:别做梦了!今有中科院教授告诉我们:梦就梦呗,又不上税,兴许成真了呢?让我们温故知新,听他们的话。

唱衰静电的常见理由为:日常静电,电压可高达万伏,但电流很小,连人都电不死,发什么电?!话是这么说,细想却有疑窦:1、为啥电压那么高?2、如果电压那么高,为啥电流那么小?3、如果电压那么高,为啥电不死人?有请中学老师,帮我们掸掸理综真题上的灰。先看日常静电产生。都说摩擦起电,其实起电的不是摩擦。不同材料表面只要接触,一方的部分电子就会转移到另一方上,让前者带正电,后者带负电,所以,严格说是接触起电。

当然,摩擦、施压可让更多电子转移。一个电子有一定量的电荷,电荷总量叫电量(以“库仑”为单位,与日常用电以“度”为单位的“电量”含义不同)。日常摩擦,材料间转移的电子数有限,所以,日常静电电量很小,只有几微库仑(10-6级)。但是,电压却不小,这是因为两个物体表面带上电荷,离得不远,中间隔着空气,形成电压,这像个什么电气件?电池?发电机?不,它们像的是容纳电荷用的电容器。再看日常静电放电。

在上述日常条件下,我们有成千数万伏静电加身,但身体表面电压基本相等,并没形成电流穿过我们,这时根本用不上欧姆定律。现在,我们去摸金属门把:它可不绝缘,是导体,算零电位,与人体间就有了电势差,电流形成,放电了,火花一闪——注意:火花出现在我们摸到门把之前,在二者的间隙里。

微观上看,我们与门把离得近了,1毫米3000伏左右的高电压,电场很强,就能击穿二者间的空气,把绝缘的空气在那一瞬变成导体,形成火花。电死人的究竟是电压、电流、电量、电阻、电功、电能……?这个话题网上特别常见,各执一词,众说纷纭。其实,纷纭的根源在于:电死人是件很复杂的事儿,所有一言蔽之均属一言堂。这取决于你摸什么(电门?闪电?)、怎么摸(倒立?劈叉?)、在哪儿摸(沙漠?泳池?)、用哪儿摸(指肚?

手背?直接用心脏?)……至于日常静电为什么电不死人,就很简单了,还是因为电量太小。电量小,即使电压高,电流峰值大,但放电时间实在太短(纳秒级),摩擦转移的那点电荷瞬间跑掉,电压、电流骤降为零。小火花释放的电能,据估算,每次才约0.5焦,或者更少,才0.06焦。下面做些“荒谬”的计算:假设冬季北方人民每人每天“蛰”20次,即制造20朵可见可听的静电小火花(这是不确切的)。

再假设其释放的能量还能百分百收集起来(这是不可能的)。那么,按每朵小火花0.5焦算,人均日静电发电10焦,每月发电则为0.0000833度。据国家能源局数据计算,2017年城乡居民每月人均用电是多少呢?53度,emmmmm.......据国家统计局数据估算,2010年中国北方人口为5.6亿。那么,全体北方人民日静电发电56亿焦,每季度平均发电则为14万度。

据三峡集团数据计算,2017年三峡电站每季度平均发电是多少呢?244亿度。别做梦了!日常静电电能这么小,要你何用?请注意,以上玩笑性计算只考虑了人体摩擦形成的可感小火花,然而,日常生活与大自然中的摩擦,还有太多太多。要是更高效地利用,没准真能取代三峡电站。这话,是中科院纳米能源与系统研究所所长王中林教授说的。他是造摩擦纳米发电机(TENG)的开山掌门。

这种号称“世界上最小”的发电机,善于采集小规模、不规则的机械能,转化为电能。如果该技术得以长足发展,往大了说,可让大海摩擦发电。200公里×200公里×5米深的海水,摩擦纳米材料,不必惊涛骇浪,也能采集出三峡电站的发电量。往小了说,可做自驱动可穿戴的小型传感器。用人体脉搏振动,摩擦纳米材料可以采集电能,监控血压、心电、心音等。2017年,北京两所医院已据此展开合作研发。

往中间说,前文提到的各种日常静电,配以纳米材料,也许未来都能采集转化。锋芒初露,前路修远,我们不妨拭目以待,翘盼用眨眼儿、打嗝儿、嘚比嘚和噼里啪啦发电的机器早日产业化。

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