为什么有时把充电器插进插座时会有电火花？| No.298

原创 Frions 中科院物理所

你有没有见过
一簇从插座到充电器的电火花
很吓人的好吧
为什么有时候把充电器
插入插座时
会有电火花呢？

Q1

核酸检测的时候，病毒检测管里的粉色液体是什么？

by 匿名

答：
首先系统地介绍一下我们的核酸检测。
新型冠状病毒的核酸检测流程[1]
核酸检测是最常用的病毒快速检测技术，由于核酸是病毒的遗传物质，对病毒的特征序列进行扩增和检测就能判断样本中是否具有该病毒，即根据已公布的新型冠状病毒SARSCoV-2的基因组序列，通过生物信息学分析出具有特异性的目标DNA片段，设计用于聚合酶链式反应(PCR)扩增的上下游引物，以病人样本中提取的RNA为模板，进行反转录聚合酶链式反应(RT-PCR)，如果检测到大量目标DNA片段，即可判定为阳性。
注：聚合酶链式反应(PCR，Polymerase Chain Reaction)技术可以实现体外对核酸分子进行大量扩增。
说回粉色液体，其实这个粉色液体就是病毒保存液，病毒保存液又分为灭活型和非灭活型两种（具体区别可以参考[2]），但无论是哪种类型的保存液，它的目的都是保证核酸RNA的完整性，从而能够顺利地进行反转录聚合酶链式反应。呈现粉色的物质其实就是保存液里面的酚红，它用来作为保存液中PH值的指示剂，碱性（病毒保存需要碱性环境）时就会呈现粉红色。
参考资料：
[1]赵雨佳，廖湉毅，范培蕾，等. 新型冠状病毒核酸检测方法及标准物质的研究进展[J]. 计量科学与技术，2022, 66(1): 3-8
新冠核酸检测咽拭子采样管里装的液体是什么？
by just_iu
Q.E.D.

Q2

手机屏幕显示黑色和手机屏幕不亮有什么区别呢？

by 阿月

答：
LCD手机屏幕显示的黑是五彩斑斓的黑（误
要搞懂这个问题，我们需要知道现在的手机屏幕主要分为OLED和LCD两个机制。两种屏幕的结构可以参考下图。右图中给出了OLED屏幕的一个像素点的结构，它是由单独的发光二极管组成。因此当需要显示黑色时，像素点位置的三原色发光二极管就会停止发光，我们也就看不到颜色了。所以OLED屏幕的显示黑色与屏幕不亮，在像素点级别的两种情况可以认为是没有区别的。
LCD屏幕在每个像素点上有三原色的薄膜，在整个屏幕下方覆盖有一整块发光板，通过发光板与彩色薄膜之间的液晶层控制光线通过量。因此我们无法像OLED屏幕一样，直接让一个像素点级别的发光板不亮，而是关闭像素点上方的液晶板使光线无法透过。但这种遮光效率并非100%，而是仍有一定亮度的光线进入到人眼，因此LCD屏幕显示的黑并不是纯粹的黑，而是略微显一些灰色。
参考资料：
深度解析会发光的OLED，OLED大风口该怎么玩，OLED发光材料
by theone
Q.E.D.

Q3

以前用煤气做饭，不管什么材质的锅，锅底都很黑，要随时擦；换了天然气后，好像锅底就不会黑了。这是为什么？

by 匿名

答：
我们可以使用的燃气包括天然气、液化石油气和煤气。现在城市里通过管道输送的是天然气，主要成分是甲烷；煤气罐里装的是液化石油气，主要是丙烷丁烷之类的短链烷烃或者醚；真正的“煤气”是煤气化或干馏产生的，主要成分是一氧化碳，在工业上应用相对多一些。
锅底的黑灰是燃料燃烧不充分遗留的炭。煤气中的一氧化碳和天然气中的甲烷燃烧时，消耗的氧气都不太多。但是煤气罐中的液化石油气燃烧时消耗的氧气远比前两者多，更容易发生燃烧不充分的情况，产生更多的锅灰。
近些年锅灰变少还可能与灶具有关。现在的燃气灶在灶具内部会将燃气与空气初步混合，然后从小孔中喷出后在空气中燃烧。这种燃烧方式可以将空气与燃气比较好地混合，促进充分燃烧。如果灶具的进气口（叫做风门）发生堵塞或者大小不对，导致进气不足，也会导致燃烧不充分，锅灰增多。
by 藏痴
Q.E.D.

Q4

为什么有时将手机充电器插入墙壁上的插孔时会出现电火花？这是因为自感现象吗？

by 匿名

答：
其实这是一种很常见的现象，叫做“电弧放电”。当插头的金属片靠近插座时，随着距离的减小，金属片与插座之间的电压会不断增大，最终击穿空气，产生电弧放电。
日常生活中产生电弧放电的情况有很多，最常见的是用电器的功率较大时，如果插头设计不合理，就很容易产生电火花。比如小编买的某65W充电器，每次插入必有火花。但有意思的是，当初次插入插座产生火花后，将插头拔下短时间内再次插入便不会产生火花。为了解释这一现象，小编找到了这款插头的拆解图。可以看出，充电器内部有一个巨大的电容，通过拆解发现其规格为400V，100μF，容量较大，所以在接触插座时为了给电容充电，需要较高的电压，便很容易产生放电现象。但为什么重新插入就不会有火花呢？原因是在插入后，电容内存有了一定电量，这就保证了再次插入时，金属片与插座之间的电压不会过大，避免了火花产生。
某65W充电器拆解图，中间黄色绝缘胶带包裹的就是其中的电容 | 来源：充电头网
去除绝缘胶带后的电容，规格为400V 100μF | 来源：充电头网
而自感现象是指导体电流发生变化时，回路中的磁通量发生变化从而产生感生电动势。在上述分析中我们可以得知，在产生电弧放电前，插头的电感还没有电流经过，主要是电容充电起主导作用，因此与自感现象无关。在拔出插头时，电路突然断开，而电感中仍存有一定能量，如果插头电感较大，由于自感，插头就会保留一定的电压，有可能击穿空气，发生与插入过程中相同的电弧放电现象。
知道了产生原因，我们就可以避免这种放电现象发生。比如可以在插入插头后再给插座通电，这样增大了金属片与插座的接触面积，能有效避免电弧放电，减少充电器的损耗。
参考资料：
拆解报告：小米GaN充电器Type-C 65W
by theone
Q.E.D.

Q5

为什么有的战机尾焰是蓝色的，而有的战机是红色的，比如说俄国的和美国的尾焰就不一样，这是不是代表了发动机的效率不一样和技术水平的高低？

by 匿名

答：
图源自网络
喷气式发动机的尾焰的颜色的确可以反应发动机某时的燃烧效率，但是并不能完全反映出发动机的好坏。一般战机在加速加力的情况下，都会喷出蓝色（或紫色）的尾焰，而在低速巡航时，一般都会喷出黄色或红色的尾焰。这也是很多战机在起飞瞬间都会喷出蓝色尾焰，而降落瞬间都会喷出黄色或红色尾焰的原因。同理，蓝色的尾焰就代表着燃料燃烧的温度高，而黄色和红色就代表着温度低，颜色越浅，温度越高。黄色的尾焰，说明此时燃烧不充分。如果尾焰是蓝色的，这说明战机正在提速，因为发动机需要高转速来获得更快的速度，这时候燃料燃烧充分，氧气就会大量供应到燃烧室，这时候的尾焰就是蓝色的。总结来说，战斗机尾焰的颜色取决于战斗机此时的状态，与战斗机性能的好坏并无太大联系。另外还有燃料品质和摄像光线角度等问题，不过终究还是与燃烧温度有关，而燃烧温度又与发动机的运行方式有关，所以只要战机加速加力，尾焰就会由深变浅，甚至变成白色。
by freelance
Q.E.D.

Q6

扁圆柱形磁铁边缘与1元硬币边缘接触时，为何在两者垂直时才稳定？

by 然然

答：
因为电磁学的计算涉及到比较复杂的矢量运算，所以我们这里只用法拉第的磁感线来定性说明。
我们可以来看一下扁圆柱形磁铁的磁感线。以分子电流的观点，这种长度明显小于半径的圆柱磁体可以等效成一个电流为I的电流环。
一个向右的电流环的磁感线 | 来源：wiki
我们在中学物理中学过，力线的方向代表此处力的指向，密度表示力的大小。磁感线从N极出发，汇聚到S极。我国的硬币是钢芯镀镍的。对于一个铁磁性物质（比如铁、钴、镍），它们受到的磁铁的力是沿磁感线的。只不过由于铁磁性物质永远受磁铁的吸引力，所以需要把磁感线中远离磁铁的部分改成指向磁铁，也就是将上图右半部分所有的箭头都反向，才是铁磁物质在磁铁附近受到的力线。
硬币在电流环附近的力线和平衡位置示意图
稍加观察就可以发现（证明略，），硬币在电流环附近有两类平衡点：第一类是硬币关于电流环所在平面对称（图中红色的两种情况），既可以“肩并肩”，也可以垂直接触。但是肩并肩的情况显然一旦稍微偏离平衡位置就会被引力拉走。垂直的情况由于体系能量比较低，稳定性比“肩并肩”要好一些；但是如果偏离平衡位置略多，这种平衡也会被破坏。第二类平衡点是硬币关于电流环的轴线平衡（如图中蓝色所示）。除了互相垂直，还有一种“脸贴脸”。脸贴脸的情况很明显非常稳定。垂直的情况下，可以看到引力是指向平衡位置的，如果硬币略偏离平衡位置，引力会把它拉回平衡点。因此垂直的情况也是稳定平衡。
总而言之，硬币关于磁铁平面对称的情况，垂直情况和肩并肩的情况都不是稳定平衡，但是垂直情况的稳定性相对更好；关于磁铁轴线对称的情况下，垂直和“脸贴脸”都是稳定平衡。
by 藏痴
Q.E.D.

Q7

为什么有时候切割磁感线时磁通量没有发生变化却产生了感应电流？

by 快乐成长

答：
切割磁感线，但磁通量未发生变化的情况只能产生感应电动势和短暂的感应电流，而不会产生持续的感应电流。
例如在均匀磁场中平移一个闭合金属导线回路，那么回路的AB侧和DC侧的电子，都会受到向下的洛伦兹力，从而短暂地流向下方，产生上正下负的动生电动势。但这两个电动势在回路中互相抵消，并不会产生持续的感应电流。
还有一个情形是法拉第圆盘。垂直于一个金属圆盘施加向外的磁场，圆盘逆时针转动，再在圆盘边缘和圆心处用导线连接，就能得到恒定的感应电流，方向从圆心流向圆盘边缘。从一个静态的回路上看，这个回路的磁通量似乎并没有改变。但既然圆盘在转动着切割磁感线，我们就应该把它考虑成一系列沿径向排列的导线（好比车轮的轮辐）并联在一起。在某一微小的时间间隔内，某条导线切入电刷，然后切出电刷，这一过程中磁通量发生了改变，改变的部分正是这一阶段导线扫过的面对应的磁通量。
by 牧鱼
Q.E.D.

Q8

一个电阻为零的金属块从磁铁正上方落下，求金属块下落过程中的运动情况。

by 文件传输助手

答：
电阻为零的导体又叫做理想导体。根据麦克斯韦方程，磁场不能进入理想导体内部而只能进入很薄的一层表面层。具体推导可以参考文献［1］。也就是说，理想导体会排开周围的磁感线，这会增加抗磁能。抗磁能大小与磁感应强度有关：（虽然物理上更习惯于用磁场强度H来表征理想导体的外磁场大小而用B表示总磁场，但是这里为了照顾中学水平的读者，我们还是使用磁感应强度。在题目给出的情形有）。理想导体从磁铁上方下落的过程中，如果重力势能的减少量与抗磁能的增加量相等，那么理想导体就会再次静止悬浮在磁铁上方。如果下落时的初始高度比较大，重力势能减少量大于抗磁能增加量，那么理想导体会下降到低于平衡位置的地方，甚至接触磁铁，然后再上升，围绕平衡位置作振动。值得指出的是，由于磁感应强度B也随高度发生变化，所以抗磁能改变量也是高度h的函数。在不同的高度释放磁铁，平衡位置也很有可能不同。
可以看到，上面的分析在引入抗磁能以后，完全是高中物理的内容。这里只给出能量角度的分析，感兴趣的读者可以直接从受力角度出发，做出类似的定性分析。此外，提问者的这个问题很可能是受到了超导悬浮实验的启发。作为从事超导研究的小编，我很愿意多说几句。电阻为零确实是超导体的一个本质特征，但除此之外，超导体的另一个本性是完全抗磁性，也叫做迈斯纳效应。迈斯纳效应和理想导体抗磁性的区别主要在于一个导体从有电阻的正常态进入超导态时的特征。对于迈斯纳效应，即使在正常态有磁场，转变到超导态时导体都会将磁场排出体外；而理想导体在经历同样过程时会将磁场留在体内。所以在上面的分析中，我刻意避免使用“超导体”而总是写成“理想导体”（来凑字数）。
最后放一段超导悬浮实验的动图[2]镇楼，欢迎喜欢超导的同学们报考物理所！
参考资料：
为什么理想导体内部磁场为0？
在零下200度的世界里，中科院物理所带你探秘神奇的超导磁悬浮
by 藏痴
Q.E.D.