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你从浴室回到厨房,把面包圈切成两半后放入烤面包机中,然后按下烤面包机的压杆。烤面包机的弹簧会把烤好的面包片向上推,而现在这个弹簧被压缩了,使得面包片没入烤面包机中。
烤面包机的发热丝开始变热,最终变成了耀眼的红色。桌上的黄油还有点儿硬,你把它放入黄油碟中,再把黄油碟放在烤面包机的开口上。烤面包机产生的热量会让黄油变得更软、更易涂抹。烤面包机在美国并不是一项新近的发明,曾祖辈们可能对烤面包机也不陌生。当你把一片面包放入烤面包机并按下压杆时,你不仅让面包没入烤面包机中,还闭合了一个电路。
这个电路一闭合,面包片附近的电热丝中便会有电流通过。大概半分钟以后,电热丝变热并且发出红光。这是为什么呢?要想理解烤面包机如何把电能转化为热和光,我们必须先了解热力学、电磁学以及量子力学的有关知识。对,为了一片烤面包,我们竟然要学习这么多知识!烤面包机用到了热力学第一定律。这条定律告诉我们,在一个闭合的系统中,热和功的总量始终保持不变。当你按下烤面包机的压杆时,电路闭合,线圈中产生电流,由于线圈有电阻,电流的电能被转化成热能。
让我们先来看看金属线圈。一种材料要成为电的良导体,就必须具有大量能够自由移动的电荷。金属中含有高密度的自由电荷,因此金属具有良好的导电性。而塑料和玻璃等材料中的电荷会被原子间的化学键所束缚,所以这些材料都是绝缘体。在一种固体中,原子的排列方式和原子间的化学作用决定了这种材料是绝缘体还是导电体,原子的排列方式和原子间的化学作用又都受到量子力学方面的限制。
烤面包机的电热丝一般由镍和铬的合金(叫作镍铬合金)制成。镍和铬这两种金属都能导电。一台烤面包机想要快速地把面包片烤热,它所使用的电热丝就必须是电的良导体,但是电热丝的导电性能也不能太好。在镍铬合金制成的电热丝中混合了两种不同的金属,再加上其他一些不完美的地方,这样的设计反而能帮我们取得理想的加热面包片的效果。
我们可以把烤面包机的电热丝想象成一个大楼梯,一群人要同时通过这个楼梯下楼。从最下面一个台阶走出来的人越多,这群人的移动速度就越快,电流也越大。事实上,让这些人下楼的动力是电压。在这个比喻中,我们也可以把电压看成是楼梯的倾斜度,很陡的楼梯对应较高的电压。当楼梯很陡时,每个人下楼的速度就会很快。楼梯的每个台阶对应金属中的原子,要想更快地让一群人通过楼梯下楼(尤其是在人数很多时),最好的办法就是让大家沿着楼梯排好队(按照台阶的宽度排成一个个横排),然后所有人步调一致地一级一级走下楼。
当某一横排的人走下最后一个台阶时,另一横排的人走下第一个台阶,这样一来,这个楼梯就能以最高的效率运转了。然而,楼梯上的人们并非整齐划一地行动,他们的行动具有一定的随机性,就像导线中的电子一样。而且,一个真实楼梯的台阶也不是完全平均分布的(真实的导线也不是)。如果楼梯上缺了一个台阶(这种情况对应于在导线中,某个原子不在它该在的位置上),而且在走到这个台阶之前没有人发现这一点,就会让人摔个大跟头。这种情况会导致效率下降,下楼的过程就会耗费更长的时间(烤面包机的电热丝中的电流也会更小)。
在金属中,上述情况会导致“电阻”的产生。电流通过一条长而细的导线比通过一条短而粗的导线更加困难。在某些设备中,电阻是一种需要克服的障碍。但是,当我们用烤面包机做早餐的时候,电阻却在帮我们的忙。由于导线有电阻,电流的动能就被传递给导线中的原子。随着能量提高,原子会振动得更加剧烈,这个过程叫作“焦耳加热”。正因如此,烤面包机要用镍铬合金制作电热丝——这种合金既有一定的导电性,又有很大的电阻,从而保证导线通电时产生最多的焦耳热。
如果足够多的动能被传递给原子,原子就会剧烈振动;如果原子振动得足够剧烈,电热丝就会发出红光。当原子振动的时候,电子会像弹簧另一头悬挂着的重物一样左右摇摆,原子内部就会形成变化的电流。这种原子内部电流的大小和方向都在不断变化,形成一个不断变化的磁场,这个不断变化的磁场又会产生一个电场。让我们回忆一下前文提过的带电的摆球。周期性变化的电场和磁场共同形成了一种振荡的电磁波,这种电磁波就是我们所说的“光”。
为了烤出一片可口的面包,必须把电热丝的热量(电热丝的温度可能超过摄氏度或华氏度)传递到面包上。在电吹风和电暖器工作时,空气分子经过电热丝,获得了电热丝上过量的动能。而在烤面包机中,加热的过程主要通过红外线完成。当面包的表面温度达到摄氏度或华氏度时,面包中的糖和淀粉就会发生化学反应,面包的味道和质地也开始发生改变。
烤面包机有一个用于调节不同加热挡位的旋钮,这个旋钮实际上控制着一个可调节电阻,它可以通过改变电阻来改变电热丝中的电流大小。
此外,烤面包机中还装有计时器或者温度传感器,在达到一定的时间或者温度以后,这些部件会将闭合的电路断开——此举能够防止面包被烤煳。怎么样,想不想入手一个呢,小编看过之后自己都想买一个。可惜小编不太喜欢吃面包。