探测器中的奥秘   

行李过检时,你也得穿过一道令人生畏的拱门,它总是会给你带来焦虑和犯罪感。这些拱门其实是金属探测仪,它们和田野里寻宝人手上拿的那个东西差不多,只不过机场的这些大家伙们寻的是铁。虽然有不同的具体技术,但是这些拱门有着基本相同的工作原理——电磁感应。如果你的电动牙刷是通过插在一个无金属接头的塑料基座上充电的话,那么,你家里就已经有一个以电磁感应方式工作的装置了。

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电磁感应是维多利亚时期的科学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday)的一个重要发现。他发现将金属导线通电,或改变电流的大小,就会有磁场产生。同样的,移动或改变磁场,就会产生电。这就是电动机和发电机的工作原理。

在电动牙刷中,充电器中的线圈输送出变化的磁场,牙刷的线路内就会有电流产生。“电磁”指的是电的和/或磁的——电和磁是导致同一现象的两个部分。而这里的“场”指的不是一大片草场,而是力场。“场”这个概念是法拉第根据想象得出来的。他发现铁屑在一张放置了磁铁的纸上排列成一些曲线,这些曲线组成的图形类似于磁力作用下地图的形状。法拉第设想在磁铁周围的空间里有无数条这样的曲线。

在磁场里移动金属导线,它将与曲线发生切割,就像小孩用手拂过一片金属栅栏一样,这样的切割会将磁力转化为电力。在电线附近移动磁铁和用电线切割磁场,两者效果是一样的——它们都能使电线和磁场相互运动,从而导致电线中带电电子的流动。这就是所有发电机的工作原理。

在牙刷充电器中,没有东西被移动,但是电流的方向一直在改变(称之为交流电),导致磁力线一会儿被推出去一会儿又被拉回来。当金属导线的位置与磁力线相交时,磁力线被切割,就像发电机中运动的导线那样。充电器中的电线与牙刷中的电线并不是连接在一起的。而是变化中的电场产生的磁场将线圈中的能量输送给牙刷。与之类似的装置被称为变压器,人们用它来降低电压(如你家里的充电器,还有手机和一些电子产品的电源中都安装了变压器)。变压是通过大小不同的一些线圈来完成的,由于电磁感应,某个线圈中变化的电流能在另一个线圈中产生感应电流(参见124页了解电压的概念)。

金属探测拱门中有好几个线圈。线圈中的电流能使附近金属物体的周围产生磁场,而这个磁场反过来又会使检测线圈中产生感应电流。这些金属物品有可能是你口袋中的硬币、皮带扣,或是你夹克中的武器。近几年来,由于出现过把危险品放在鞋子里的案例,现在过检时,你会时常被要求脱下鞋子,接受X射线检查,因为探测器没法检测与地面齐高的物体。不过有些先进的探测器能够检测鞋子,这至少让整个安检过程不那么烦人。

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图2 变压器通过电磁感应改变电压