当有人问起“国家安全是什么”，你的脑海中是否只有军事防御与领土完整的画面？其实，国家安全的内涵远比这丰富得多，它涵盖了我们生活的方方面面，包括科技安全、文化安全、经济安全、社会安全等诸多领域。今天是第十个全民国家安全教育日，让我们从生活中的用电安全入手，一起来了解一下吧。

当你拔掉微波炉或电脑的电源线时，有没有留意到某些指示灯并没有马上熄灭，而是闪烁了几秒钟？其实，这背后离不开一种叫做电容器的电子元件。
正在充电的笔记本电脑
图源：作者供图
电脑突然没电可能会导致数据丢失，但这种情形却很少发生，这是因为主板上的电容器在电脑的断电保护中扮演了重要角色。电源主电容争取时间触发系统保护流程，主板辅助电容维持关键电路运作，存储设备专用电容完成数据落盘。也就是说，电容器协同其他硬件与软件机制共同保障了计算机数据存储的可靠性。

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电能的“临时仓库”
电容器作为一种能够储存电荷的电子元件，具有临时储存电子能量的功能。它的结构看似简单——由两块金属板构成，金属板之间由名为电介质的绝缘材料隔开，却能存下惊人的电荷。
充电时，在电容器两端接上电源，电子涌入一侧金属板，另一侧金属板则“缺电子”带正电，两极板间形成电场。
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断电时，电子从负极板经过回路回到正极板，释放储存的能量。
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电容器的金属板面积越大、间距越小、电介质材料性能越优，储存电荷能力也会越强。手机主板上米粒大小的陶瓷电容器，其储存的电能虽仅有0.000005焦耳（大约为将一粒芝麻举高1厘米所需的能量），却能在百万分之一秒内释放电流，驱动LED灯完成一次闪烁。
电容的概念最早可以追溯到18世纪，当时科学家们开始研究电现象。1745年，荷兰科学家彼得·范·穆森布鲁克发明了莱顿瓶，这是最早的电容器之一。

莱顿瓶结构示意图

图源：

ppmy.cn

1746年，法国科学家让-安托万·诺莱在凡尔赛宫进行了一次著名实验：180名士兵手拉手组成人链，首尾两人接触莱顿瓶两极，电流瞬间引发集体肌肉痉挛。所幸实验未造成严重伤害，也让莱顿瓶声名大噪。从此，这个电能“小仓库”——电容器进入大众视野。

诺莱的身体电性试验

图源：科学史博物网

生活中的电容器
随着科技的发展，电容的种类和用途也在不断扩展。从最初的莱顿瓶到现代的电解电容、陶瓷电容、超级电容，电容技术经历了巨大的变革。
如今，电容已经成为电子设备中不可或缺的元件。当你按下电视遥控器的按钮时，电容器迅速释放储存的电能，确保信号顺利发送；当你使用微波炉加热食物时，高压电容器与磁控管配合，将电能转化为微波，通过振动食物中的水分子产生热量；当你使用电容笔在平板上绘图时，电容笔与电子屏幕电容互动实现精准定位输入；当你使用智能手机和笔记本电脑时，电容器肩负滤波和储能的功能，稳定电压，确保设备运行流畅；当你驾驶电动汽车时，它的超级电容器能在启动时提供瞬间大电流，提升车辆性能......由此可见，电容器切实地方便了我们的日常生活。
图源：摄图网
小心“电”你没商量！
虽然电容器确实是我们生活中的“大功臣”，但它也隐藏着一些危险。即使拔掉设备的插头，电容器中储存的电能也可能会持续一段时间。误触这些带电的仪器，轻则让你“麻”一下，重则可能导致严重电击。比如，微波炉中的高压电容器在拔掉插头后，电容器中仍可能储存有高压电能，误触则会造成触电伤害。

触电事故新闻

来源：搜狐

家用电器危险等级表

数据来源：参考文献

那么，我们该如何安全处理这些“带电”的电器呢？
对于节能灯等小家电，我们可以拔掉插头使其自然放电后安全触碰。如果需要维修大件家电（如微波炉、空调外机等），须请专业的维修人员佩戴绝缘手套、做好防护后操作并使用专用放电工具和高功率电阻器安全释放电容器的余电，利用验电笔确认无电压后再进行维修操作。

图源：摄图网

更小更强更快的超级电容
如果说普通电容是“小水杯”，那么 “超级电容”就是“移动水库”。它不仅能储存更多的电能，还能在极短的时间内将其释放出来。

双层超级电容结构示意图（1）电源（2）收集器（3）极化电极

（4）亥姆霍兹双电层（5）具有正负离子的电解质（6）分离器

图源：超级电容器 / Supercapacitor - Nulll的文章 - 知乎

与传统电池不同，超级电容可以在几乎无限数量的循环中以高充电和放电速率运行，并在超负荷系统中实现能量回收。这样的特点使得超级电容器被广泛用于商业和工业设备。比如海港橡胶轮胎龙门起重机，它的电容器系统能够在负载下降过程中存储能量，使其能源使用量减少了40%[1]。

海港橡胶轮胎龙门起重机

图源：参考文献

据中国华能集团有限公司网站发布的资料，全球最大容量超级电容混合储能系统已经在华能左权电厂成功投运，在提高煤电兜底保供能力、促进新能源消纳以及保障电网安全经济运行方面发挥了重要作用[2]。
此外，超级电容技术也已经进入我们的生活，上海71路公交应用超级电容快充技术，进站30秒即可充满电，满足5公里行驶需求，日均充电次数高达200次，完美匹配城市公交的停靠节奏。
虽然超级电容已经进入我们的生活，但它的生产仍然面临高成本和相对低的能量密度的困难。为了真正普及超级电容器，科学家们正从材料和工艺两头攻坚：一方面用椰子壳、咖啡渣等废弃物制成低成本“充电海绵”，替代昂贵的活性炭和石墨烯，让生产成本有望降到三分之一；另一方面通过自动化生产线和AI质检提升效率，把原本手工打造的“精密仪器”变成可大规模生产的“工业品”。虽然其存电量无法媲美锂电池，但在电梯应急供电、卡车低温启动、电网波动调节等需要“秒充秒放”的场景中，未来十年内有望替代传统电池[3]。
参考文献

[1]Miller, J. R., & Simon, P. (2008). Electrochemical capacitors for energy management. Science, 321(5889), 651-652.

[2]全球最大容量超级电容混合储能系统成功投运[J].电力安全技术,2024,26(12):15.

[3] Burke, A. (2000). Ultracapacitors: why, how, and where is the technology. Journal of Power Sources, 91(1), 37-50.

[4] Lee, K.-C.; Lim, M.S.W.;Hong, Z.-Y.; Chong, S.; Tiong, T.J.;Pan, G.-T.; Huang, C.-M. Coconut Shell-Derived Activated Carbon for High-Performance Solid-State Supercapacitors. Energies 2021, 14,4546. https://doi.org/10.3390/

[5] GB 4706.90-2014 《家用和类似用途电器的安全 商用微波炉的特殊要求》

[6] IEC 60705:2014（Ed4.1）《家用微波炉性能测试方法》

[7]《CRT显像管高压系统设计与安全》（电子工业出版社，2003）

[8] IEEE Std C62.41-1991《低压电路电涌防护》

作者：龚春艳，华东师范大学物理与电子科学学院本科生
策划&编辑：rain
题图图源：摄图网
鸣谢：南京农业大学副教授，江苏省力学学会科普工作委员会副秘书长 王永健 为本文提供科学指导。
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