2025年春節(jié)，中國(guó)動(dòng)畫(huà)電影《哪吒之魔童鬧?！罚ê?jiǎn)稱《哪吒2》）登頂中國(guó)影史票房榜榜首。在影片中，當(dāng)幾位主要角色打斗時(shí)，“物理學(xué)知識(shí)”——冰不導(dǎo)電幫助一方扭轉(zhuǎn)戰(zhàn)局。
那么，冰到底導(dǎo)不導(dǎo)電？
能否導(dǎo)電看純度
從物質(zhì)導(dǎo)電的基本原理來(lái)看，某類物質(zhì)能夠?qū)щ姡饕捎谄渲写嬖诳勺杂梢苿?dòng)的電子或離子。
南京信息工程大學(xué)教授劉玉柱介紹，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)純凈的水幾乎是不導(dǎo)電的。純凈的水是一種極弱的電解質(zhì)，內(nèi)部自由移動(dòng)的離子數(shù)量極少，因此導(dǎo)電性極其微弱，幾乎可以忽略不計(jì)。
但在日常生活中，大多數(shù)水往往含有礦物質(zhì)等雜質(zhì)。以水中含鹽為例，鹽的主要成分是氯化鈉。在水分子的作用下，氯化鈉晶體中的鈉離子和氯離子之間的離子鍵被破壞。兩類離子逐漸脫離晶體表面，分散在水分子之間。這些離子在水中可以自由移動(dòng)，成為傳遞電流的載體。當(dāng)給水溶液兩端施加電壓后，帶正電的鈉離子會(huì)向電源的負(fù)極移動(dòng)，帶負(fù)電的氯離子會(huì)向電源的正極移動(dòng)。離子的這種定向移動(dòng)就形成了電流，產(chǎn)生了水能導(dǎo)電的現(xiàn)象。
冰是由水分子通過(guò)氫鍵形成的規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，水分子會(huì)被牢牢固定住，無(wú)法形成可以自由移動(dòng)的電子或離子。但由于現(xiàn)實(shí)生活中的冰通常含有雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)變成離子，導(dǎo)致冰有微弱的導(dǎo)電性。
例如，由于海水含大量鹽，海水結(jié)冰后，海冰通常具有導(dǎo)電性。不過(guò)，由于冰的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)離子的自由移動(dòng)造成了很大阻礙，所以和液態(tài)非純凈的水相比，即使是含有雜質(zhì)的冰導(dǎo)電性仍然很弱。除此之外，在環(huán)境溫度接近0攝氏度時(shí)，冰的表面可能會(huì)形成一層極薄的水膜。當(dāng)水膜中溶解有電解質(zhì)時(shí)，所含的可自由移動(dòng)的離子可使冰具有導(dǎo)電性。
線路覆冰危害大
含雜質(zhì)的冰的導(dǎo)電性是否會(huì)對(duì)日常生活產(chǎn)生影響？
在電力領(lǐng)域，冰是電力線路的“勁敵”。國(guó)網(wǎng)甘肅電力公司電力科學(xué)研究院輸電技術(shù)專家王津介紹，輸電線路覆冰會(huì)引起過(guò)荷載、冰閃、覆冰舞動(dòng)、脫冰跳躍4種災(zāi)害，進(jìn)而引發(fā)導(dǎo)線斷裂、桿塔倒塌、絕緣子絕緣強(qiáng)度下降、機(jī)械損傷等問(wèn)題。其中，含有雜質(zhì)的冰一旦導(dǎo)電，最有可能產(chǎn)生絕緣子冰閃，對(duì)輸電線路造成損害。
絕緣子是一種特殊的絕緣控件，在架空輸電線路中起重要作用，通常由玻璃、陶瓷等絕緣體制成。當(dāng)出現(xiàn)凍雨天氣時(shí)，雨落到傘形絕緣子上會(huì)迅速結(jié)冰。隨著凍雨持續(xù)，冰層不斷積累形成線路覆冰。相鄰絕緣子之間的冰層逐漸連在一起，使絕緣子間形成導(dǎo)電通道。此時(shí)，帶有絕緣子表面雜質(zhì)的冰體或冰體表面水膜會(huì)具有一定導(dǎo)電性。當(dāng)導(dǎo)電性達(dá)到一定程度時(shí)，就可能導(dǎo)致絕緣子無(wú)法承受電壓而被擊穿，產(chǎn)生破壞性放電。這種放電或進(jìn)一步引發(fā)線路跳閘以及絕緣子冰閃等嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的事故。
包括高鐵在內(nèi)的電氣化鐵路的接觸網(wǎng)同樣“懼怕”覆冰。中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院電化院管理專家李紅梅介紹，如果接觸網(wǎng)覆冰，由于冰殼導(dǎo)電性較差且表面坑坑洼洼，受電弓從接觸網(wǎng)上汲取電流時(shí)會(huì)遇到較大阻礙，導(dǎo)致電流通路不穩(wěn)定，從而引發(fā)電弧現(xiàn)象。這種情況較為嚴(yán)重時(shí)，電弧產(chǎn)生的高溫會(huì)對(duì)接觸網(wǎng)線索造成損害，使接觸網(wǎng)線索被燒傷。
2025年春節(jié)，中國(guó)動(dòng)畫(huà)電影《哪吒之魔童鬧?！罚ê?jiǎn)稱《哪吒2》）登頂中國(guó)影史票房榜榜首。在影片中，當(dāng)幾位主要角色打斗時(shí)，“物理學(xué)知識(shí)”——冰不導(dǎo)電幫助一方扭轉(zhuǎn)戰(zhàn)局。
那么，冰到底導(dǎo)不導(dǎo)電？
能否導(dǎo)電看純度
從物質(zhì)導(dǎo)電的基本原理來(lái)看，某類物質(zhì)能夠?qū)щ?，主要由于其中存在可自由移?dòng)的電子或離子。
南京信息工程大學(xué)教授劉玉柱介紹，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)純凈的水幾乎是不導(dǎo)電的。純凈的水是一種極弱的電解質(zhì)，內(nèi)部自由移動(dòng)的離子數(shù)量極少，因此導(dǎo)電性極其微弱，幾乎可以忽略不計(jì)。
但在日常生活中，大多數(shù)水往往含有礦物質(zhì)等雜質(zhì)。以水中含鹽為例，鹽的主要成分是氯化鈉。在水分子的作用下，氯化鈉晶體中的鈉離子和氯離子之間的離子鍵被破壞。兩類離子逐漸脫離晶體表面，分散在水分子之間。這些離子在水中可以自由移動(dòng)，成為傳遞電流的載體。當(dāng)給水溶液兩端施加電壓后，帶正電的鈉離子會(huì)向電源的負(fù)極移動(dòng)，帶負(fù)電的氯離子會(huì)向電源的正極移動(dòng)。離子的這種定向移動(dòng)就形成了電流，產(chǎn)生了水能導(dǎo)電的現(xiàn)象。
冰是由水分子通過(guò)氫鍵形成的規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，水分子會(huì)被牢牢固定住，無(wú)法形成可以自由移動(dòng)的電子或離子。但由于現(xiàn)實(shí)生活中的冰通常含有雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)變成離子，導(dǎo)致冰有微弱的導(dǎo)電性。
例如，由于海水含大量鹽，海水結(jié)冰后，海冰通常具有導(dǎo)電性。不過(guò)，由于冰的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)離子的自由移動(dòng)造成了很大阻礙，所以和液態(tài)非純凈的水相比，即使是含有雜質(zhì)的冰導(dǎo)電性仍然很弱。除此之外，在環(huán)境溫度接近0攝氏度時(shí)，冰的表面可能會(huì)形成一層極薄的水膜。當(dāng)水膜中溶解有電解質(zhì)時(shí)，所含的可自由移動(dòng)的離子可使冰具有導(dǎo)電性。
線路覆冰危害大
含雜質(zhì)的冰的導(dǎo)電性是否會(huì)對(duì)日常生活產(chǎn)生影響？
在電力領(lǐng)域，冰是電力線路的“勁敵”。國(guó)網(wǎng)甘肅電力公司電力科學(xué)研究院輸電技術(shù)專家王津介紹，輸電線路覆冰會(huì)引起過(guò)荷載、冰閃、覆冰舞動(dòng)、脫冰跳躍4種災(zāi)害，進(jìn)而引發(fā)導(dǎo)線斷裂、桿塔倒塌、絕緣子絕緣強(qiáng)度下降、機(jī)械損傷等問(wèn)題。其中，含有雜質(zhì)的冰一旦導(dǎo)電，最有可能產(chǎn)生絕緣子冰閃，對(duì)輸電線路造成損害。
絕緣子是一種特殊的絕緣控件，在架空輸電線路中起重要作用，通常由玻璃、陶瓷等絕緣體制成。當(dāng)出現(xiàn)凍雨天氣時(shí)，雨落到傘形絕緣子上會(huì)迅速結(jié)冰。隨著凍雨持續(xù)，冰層不斷積累形成線路覆冰。相鄰絕緣子之間的冰層逐漸連在一起，使絕緣子間形成導(dǎo)電通道。此時(shí)，帶有絕緣子表面雜質(zhì)的冰體或冰體表面水膜會(huì)具有一定導(dǎo)電性。當(dāng)導(dǎo)電性達(dá)到一定程度時(shí)，就可能導(dǎo)致絕緣子無(wú)法承受電壓而被擊穿，產(chǎn)生破壞性放電。這種放電或進(jìn)一步引發(fā)線路跳閘以及絕緣子冰閃等嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的事故。
包括高鐵在內(nèi)的電氣化鐵路的接觸網(wǎng)同樣“懼怕”覆冰。中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院電化院管理專家李紅梅介紹，如果接觸網(wǎng)覆冰，由于冰殼導(dǎo)電性較差且表面坑坑洼洼，受電弓從接觸網(wǎng)上汲取電流時(shí)會(huì)遇到較大阻礙，導(dǎo)致電流通路不穩(wěn)定，從而引發(fā)電弧現(xiàn)象。這種情況較為嚴(yán)重時(shí)，電弧產(chǎn)生的高溫會(huì)對(duì)接觸網(wǎng)線索造成損害，使接觸網(wǎng)線索被燒傷。
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