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外焰温度最高的原因是什么(外焰温度最高什么温度最低)

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前段时间网上流传了一个视频,有人用电磁铁改变了火焰的形状。

正如上面的动图中所展示的那样,电磁铁被通电时,在中央的空隙产生磁场,火焰随之变得又短又粗,当断电撤掉磁场时,火焰又恢复到原来的状态。

视频一经播出,网友们纷纷尝试起来,网上由此也出现了一些简易的版本。

虽然装置简陋,但我们依然可以看到火焰在两个磁铁的作用下变粗的现象。

那么,这是怎么回事呢?难不成火焰也有磁性?回答这些问题之前我们首先要了解一下火焰是由什么构成的。

火焰的构成

小学或中学的课堂上,我们都学过,一般的火焰是由外焰、内焰、焰心三部分构成。其中外焰温度最高、内焰其次、焰心温度最低,形成这种温度差异的原因是火焰各部分的成分不同。

火焰的结构

焰心的主要成分是还没来得及燃烧的可燃气体。由于这部分本身并没有开始燃烧,因此也不会主动地释放热量,完全靠温度更高的内焰和外焰把热量传递给它,所以焰心在火焰的各部分中温度最低。

内焰主要由不完全燃烧的气体构成,可以通过燃烧来释放一部分热量。外焰是由完全燃烧的气体和一部分剧烈运动的等离子体构成,火焰中的大部分热量都由这部分产生。

而外焰中的等离子体就是火焰能受磁场影响的主要原因。

神奇的等离子体

我们都知道物质有常见的固、液、气三种状态,然而除了这三种外,还有等离子体态、液晶态等等。

等离子体辉光灯

如果我们把气体持续加热,使气体温度不断升高,构成气体的分子就会越来越剧烈地运动,并越来越频繁地发生碰撞。

当分子的运动剧烈到一定程度时,它自身无法再承受如此剧烈的运动与如此频繁的碰撞,就会发生解体,分离成带正电和带负电的几部分。

由于分子整体是电中性的,所以分离出的所有带负电的部分与所有带正电的部分各自带的总电量是相等的,故称为“等”离子体。

所以,简单来讲,等离子体是由许许多多不断运动的带正电和负电的粒子(包括离子、质子和电子等)构成,而运动的带电粒子会在磁场的作用下发生偏转,这就使得等离子体受磁场的作用发生变化。

等离子体在磁场作用下发生变化

而火焰的外焰恰恰存在不少等离子体,因此火焰也会受到磁场的作用。

洛伦兹力

虽然我们搞清楚了火焰形状在磁场下改变的原因,但为什么磁场作用下的火焰会变得又短又粗呢?这就不得不提到洛伦兹力的概念。

洛伦兹,物理学家

洛伦兹力是运动的带电粒子在磁场中所受的力。物理学家们发现,当一个带电粒子在磁场中运动时,只要它运动的方向与磁场不同,就会受到来自磁场的作用力,这便是洛伦兹力。

奇怪的是,洛伦兹力并不会改变粒子运动速度的大小,而是会改变粒子运动速度的方向。没有其他约束的话,带电粒子便会在磁场中螺旋前进。

在洛伦兹力作用下不断偏转的带电粒子

洛伦兹力方向判断方法

带电粒子在磁场的作用下发生偏转正是因为它们受到了洛伦兹力的作用。火焰中的等离子体恰好是由不断运动的带电粒子构成的,满足了洛伦兹力的条件。

我们都知道,热气流有上升趋势,火焰中高温等离子体的运动虽然具有一定随机性,但总体上是向上运动的。

这时,如果在火焰两侧放上磁铁,即在火焰附近加上磁场,等离子体中带正、负电的粒子会在洛伦兹力的作用下,分别向与磁场垂直的两侧偏转。

等离子体内正负粒子受力示意图

火焰外焰的主要成分是等离子体,当原本向上运动的等离子体向两侧偏转时,火焰从整体上看就像被人从两侧拉扁一样,从原来的瘦长变得又短又粗。

当然,以上只是最理想情况下的解释,忽略了许多细节。火焰中等离子体的运动情况十分复杂,磁场的强弱、两个磁铁间隙的气流、外焰的温度、燃料的种类等等都会对火焰大小产生影响。

火焰变粗过程示意图

感兴趣的小伙伴不妨在家里点一根蜡烛,找两块磁铁,在保证安全的前提下,亲自动手尝试做一下这个实验,看看火苗的形状到底如何变化。小朋友在做这个实验的时候一定要有家长陪同哦!

等离子体发电机与电磁流量计

有的小伙伴可能会问,等离子体和磁场的相互作用虽然有趣,但是有什么应用呢?

火焰在磁场下变得短粗的现象为我们诠释了带电粒子在磁场下偏转的原理,等离子体发电机便是基于同样的原理。

如果我们在高速朝一个方向流淌的等离子体两端加上强磁场,并在上下加上电极,你会发现电极上产生了电压。

等离子体发电机示意图

这是因为等离子体中的正负带电粒子受洛伦兹力偏转后,被上下电极板拦截并收集,电极板收集了带电粒子所携带的电荷,于是自身分别也带上了正或负电荷。因此,在上下两个电极板之间形成了电压。

从整体上看,这个装置就像一个电源,带正电荷的极板相当于电源正极,带负电荷的极板相当于电源负极,把电器接在正负极板两端,即可通电使用。

不过,这种装置虽然原理上可行,但是由于技术上难以实现,还没有出现在我们的日常生活中。

但依照等离子体发电机的构想,人们发明了一种已经大规模应用在生产、生活中的装置——电磁流量计。

电磁流量计中流淌的不再是等离子体,而是日常生活中的水或其他溶解了盐分的液体。

由于溶解了盐分,这些液体中有许多带正电和负电的原子团,这些随液体流动而运动的原子团在磁场下偏转,并附着在极板上。

电磁流量计实物

磁场不变时,液体流速越快,极板上聚集的电荷越多,电压越高,这时候只需要在极板间安装一个测量电压的装置,就可以通过电压的大小来判断液体流动的速度,起到测量流速的作用。

科技创新与科学发明正是如此,人们通过观察生活中奇妙的现象,总结出其中的科学原理。

外焰温度最高的原因是什么(外焰温度最高什么温度最低)

这些科学原理看似没有用途,但人们在经过巧妙构思后往往能以它为灵感设计出巧妙的装置。

然而,有些设计,正如等离子发电机一样,只是纸上谈兵,没有办法通过现有的工业技术实现。

不过,通过类比、联想、改良,这些设计往往能应用到让人意想不到的地方,让抽象的科学原理最终转化为实际的产品。

谁又能想到,火焰在磁场下变形的实验与电磁流量计这两个看似风马牛不相及的事物之间却有着如此巧妙的联系。

小伙伴们看完后有没有深受启发呢?只要你善于观察、勤于思考,没准儿也能做出一些精妙的发明创造呢!

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