編輯本段近代研究
18世紀時西方開始探索電的種種現象。美國的科學家富蘭克林(Benjamin Franklin,1706~1790)認為電是壹種沒有重量的流體,存在於所有物體中。當物體得到比正常份量多的電就稱為帶正電;若少於正常份量,就被稱為帶負電,所謂“放電”就是正電流向負電的過程(人為規定的),這個理論並不完全正確,但是正電、負電兩種名稱則被保留下來。此時期有關“電”的觀念是物質上的主張。 富蘭克林做了多次實驗,並首次提出了電流的概念,1752年,他在壹個風箏實驗中,將系上鑰匙的風箏用金屬線放到雲層中,被雨淋濕的金屬線將空中的閃電引到手指與鑰匙之間,證明了空中的閃電與地面上的電是同壹回事。 1821年英國人‘法拉第’完成了壹項重大的電發明。在這兩年之前,奧斯特已發現如果電路中有電流通過,它附近的普通羅盤的磁針就會發生偏移。法拉第從中得到啟發,認為假如磁鐵固定,線圈就可能會運動。根據這種設想,他成功地發明了壹種簡單的裝置。在裝置內,只要有電流通過線路,線路就會繞著壹塊磁鐵不停地轉動。事實上法拉第發明的是第壹臺電動機,是第壹臺使用電流將物體運動的裝置。雖然裝置簡陋,但它卻是今天世界上使用的所有電動機的祖先。 1831年,法拉第制出了世界上最早的第壹臺發電機。他發現第壹塊磁鐵穿過壹個閉合線路時,線路內就會有電流產生,這個效應叫電磁感應。壹般認為法拉第的電磁感應定律是他的壹項最偉大的貢獻。 1866年德國人西門子(Siemens)制成世界上第壹臺工業用發電機。
編輯本段基本概念
(壹)電荷的電場
失去電子或得到電子的物體就帶有正電荷或負電荷,帶有電荷的物體稱為帶電體。在電荷的周圍存在著電場,引進電場中的電荷將受到電場力的作用。該電荷稱為試探電荷!發出電場的電荷稱為場源電荷! 電場強度和電位是表示靜電場中各點性質的兩個基本物理量。電場中某點的電場強度即是單位正電荷在該點所受到的作用力。電場強度的單位是牛頓/庫倫(N/C>o)電場中某點的電位是指在電場中將單位正電荷從該點移至電位參考點的電場力所作的功。電位的常用單位是伏特(V)或毫伏(mV ),即1V=1000mVe電場中某兩點之間的電位差稱為這兩點之間的電壓或電壓降。電壓的單位與電位的單位相同。電場強度由電場本身決定!壹種物體的原子得到電子後會帶上負電,失去電子後會帶上正電。電性相反的電荷會互相吸引,電性相同的電荷會互相排斥。不帶電荷的物體是壹種電中性物體。
(二)電流與電路
在電源的非靜電力作用下,同種帶電微粒會發生定向移動,正電荷向電源負極移動、負電荷向電源正極移動。帶電微粒的定向移動就是電流,壹般規定正電荷移動的方向為電流的正方向。電流方向不隨時間變化的電流叫直流電,電流方向隨時間變化的電流叫交流電。區分直流和交流,僅僅是其方向而已,與其它的量無關。電流雖然有方向,但是是壹個標量。 電流的大小稱為電流強度,電流強度簡稱為電流,等於每秒通過電路的電荷量。電流的常用單位是安培(A)或毫安培(mA)或微安,即1000mA=1A。1mA=1000微安 電流所流經的路徑即電路。在閉合電路中,實現電能的傳遞和轉換。電路由電源、連接導線、開關電器、負載及其它輔助設備組成。電源是提供電能的設備,電源的功能是把非電能轉換為電能,如電池把化學能轉換為電能,發電機把機械能轉換為電能,太陽能電池將太陽能轉化為電能,核能將質量轉化為能量等。幹電池、蓄電池、發電機等是最常用的電源。負載是電路中消耗電能的設備,負載的功能是把電能轉變為其它形式的能量。如電爐把電能轉變為熱能,電動機把電能轉變為機械能等。照明器具、家用電器、機床等是最常見的負載。開關電器是負載的控制設備,如閘刀開關、斷路器、電磁開關、減壓起動器等都屬於開關電器。輔助設備包括各種繼電器、熔斷器以及測量儀表等。輔助設備用於實現對電路的控制、分配、保護及測量。連接導線把電源、負載和其它設備連接成壹個閉合回路,連接導線的作用是傳輸電能或傳送電訊號。
編輯本段電磁效應
物質中的電效應是電學與其他物理學科(甚至非物理的學科)之間聯系的紐帶。物質中的電效應種類繁多,有許多已成為或正逐漸發展為專門的研究領域。比如: 電致伸縮、壓電效應(機械壓力在電介質晶體上產生的電性和電極性)和逆壓電效應、塞貝克效應、珀耳帖效應(兩種不同金屬或半導體接頭處,當電流沿某個方向通過時放出熱量,而電流反向時則吸收熱量)、湯姆孫效應(壹金屬導體或半導體中維持溫度梯度,當電流沿某方向通過時放出熱量,而電流反向時則吸收熱量)、熱敏電阻(半導體材料中電阻隨溫度靈敏變化)、光敏電阻(半導體材料中電阻隨光照靈敏變化)、光生伏打效應(半導體材料因光照產生電位差),等等。 對於各種電效應的研究有助於了解物質的結構以及物質中發生的基本過程,此外在技術上,它們也是實現能量轉換和非電量電測法的基礎。
電磁測量
也是電學的組成部分。測量技術的發展與學科的理論發展有著密切的聯系,理論的發展推動了測量技術的改進;測量技術的改善在新的基礎上驗證理論,並促成新理論的發現。 電磁測量包括所有電磁學量的測量,以及有關的其他量(交流電的頻率、相角等)的測量。利用電磁學原理已經設計制作出各種專用儀表(安培計,伏特針、歐姆計、磁場計等)和測量電路,它們可滿足對各種電磁學量的測量。 電磁測量的另壹個重要的方面是非電量(長度、速度、形變、力、溫度、光強、成分等)的電測量。它的主要原理是利用電磁量與非電量相互聯系的某種效應,將非電量的測量轉換為電磁量的測量。由於電測量有壹系列優點:準確度高、量程寬、慣量小、操作簡便,並可遠距離遙測和實現測量技術自動化,非電量的電測量正在不斷發展。
編輯本段名詞解釋
《說文》
(1)電diàn (2)(形聲。從雨,申聲。本義:閃電) (3)同本義 [lightning] 電,陰陽激耀也。――《說文》 電謂之雷光也。――《五經通義》 三月癸酉,大雨震電。震,雷也,電,霆也。――《谷梁傳·隱公九年》。疏:“霆者,霹靂之別名。有霆必有電,故傳雲:‘電,霆也。’按,霆,電實同壹詞,後來歧為二義:其聲曰霆,其光曰電。” (4)又如:電火(閃電) (5)物理學名詞 [electricity]。電是能的壹種形式,包括負電和正電兩類,它們分別由電子和質子組成,也可能由電子和正電子組成,通常以靜電單位(如靜電庫侖)或電磁單位(如庫侖)度量,從摩擦生電物體的吸引和排斥上可以觀察到它的存在,在壹定自然現象中(如閃電或北極光)也能觀察到它,通常以電流的形式得到利用。如:正電;負電;靜電;電阻 說文陰陽激燿。從雨從申。 埤雅電與雷同氣。雷從回,電從申,陰陽以回薄而成雷,以申泄而為電。或曰雷出天氣,電出地氣,故電從坤省。說卦:離為電。電,火屬也。蓋陰陽暴格,分爭激射,有火生焉,其光為電,其聲為雷。今鐵石相擊則生火,燒石投井則起雷。又況天地大爐之所薄動,真火之所激射乎。董子曰:太平之世,雷不驚人,號令啟發而已。電不炫目,宣示光耀而已。 釋名電,殄也。乍見則殄滅也。 易·噬嗑雷電合而章。 註雷電合,不亂乃章。又豐卦雷電皆至。 疏雷者,天之威動。電者,天之光耀。雷電俱至,則威明備足以為豐也。 詩·小雅震電。 禮·月令仲春,雷乃發聲,始電。 疏電是陽光,陽微則光不見,此月陽氣漸盛,以擊於陰,其光乃見,故雲始電。 春秋·隱九年大雨震電。 疏河圖雲:陰激陽為電,電是雷光。 谷梁傳震,雷也。電,霆也。 淮南子·原道訓電以為鞭策。
編輯本段物理定義
閃電
電:物理學名詞 [electricity]。 電(在新拉丁語裏寫為 “ēlectricus”,就是“類似琥珀”的意思)是個壹般術語,包括了許多種由於電荷的存在或移動而產生的現象。這其中有許多很容易觀察到的現象,像閃電、靜電等等,還有壹些比較生疏的概念,像電磁場、電磁感應等等。 電是能的壹種形式,包括負電和正電兩類,它們分別由電子和原子核中的電子組成,或由電子和正電子組成,通常以靜電單位(如靜電庫侖)或電磁單位(如庫侖)度量,從摩擦生電物體的吸引和排斥上可以觀察到它的存在,在壹定自然現象中(如閃電或北極光)也能觀察到它,通常以電流的形式得到利用。 電是壹種非自然現象。電是像電子和質子這樣的亞原子粒子之間的產生排斥和吸引力的壹種屬性。它是自生物界四種基本相互作用之壹。電或電荷有兩種:我們把壹種叫做交流電、另壹種叫直流電。通過實驗我們發現帶電物體同性相斥、異性相吸。 規定:絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電荷;毛皮摩擦過的橡膠棒帶負電荷。 國際單位制中電荷的單位是庫侖。1庫侖=1安培·秒 若導線中載有1安培的穩恒電流,則在1秒內通過導線橫截面積的電量為1庫侖。 庫侖不是國際標準單位,而是國際標準導出單位。1庫侖=1安培·秒。壹個電子所帶負電荷量e=1.6021892×10^-19庫侖,也就是說1庫侖相當於6.24146×10^18個電子所帶的電荷總量。
從物質到電場
在十八世紀電的量性方面開始發展,1767年蒲力斯特裏(J.B.Priestley)與1785年庫侖(C.A.Coulomb 1736-1806)發現了靜態電荷間的作用力與距離平方成反比的定律,奠定了靜電的基本定律。 在1800年,意大利的伏特(A.Voult)用銅片和錫片浸於食鹽水中,並接上導線,制成了第壹個電池,他提供首次的連續性的電源,堪稱現代電池的元祖。1831年英國的法拉第(M. Faraday)利用磁場效應的變化,展示感應電流的產生。1851年他又提出物理電力線的概念。這是首次強調從電荷轉移到電場的概念。
電場與磁場
1865年、蘇格蘭的馬克斯威爾(J. C. Maxwell)提出電磁場理論的數學式,這理論提供了位移電流的觀念,磁場的變化能產生電場,而電場的變化能產生磁場。馬克斯威爾預測了電磁波輻射的傳播存在,而在1887年德國赫茲(H.Hertz)展示出這樣的電磁波。結果馬克斯威爾將電學與磁學統合成壹種理論,同時亦證明光是電磁波的壹種。 馬克斯威爾電磁理論的發展也針對微觀方面的現象做出解釋,並指出電荷的分裂性而非連續性的存在,1895年洛倫茲(H.A.Lorentz)假設這些分裂性的電荷是電子(electron),而電子的作用就依馬克斯威爾電磁方程式的電磁場來決定。1897年英國湯姆生(J.J.Thomson)證實這些電子的電性是帶負電性。而1898年由偉恩(W.Wien)在觀察陽極射線的偏轉中發現帶正電粒子的存在。
從粒子到量子
而人類壹直以自然界中存在的粒子與波來描述“電”的世界。到了19世紀,量子學說的出現,使得原本構築的粒子世界又重新受到考驗。海森堡(Werner Heisenberg)所提出的“測不準原理”認為壹個粒子的移動速度和位置不能被同時測得;電子不再是可數的顆粒;也不是繞著固定的軌道運行。 壹九二三年,德布羅意(Louis de Broglie)提出當微小粒子運動時,同時具有粒子性和波動性,稱為“質—波二重性”,而薛定諤(Erwin Schrodinger)用數學的方法,以函數來描述電子的行為,並且用波動力學模型得到電子在空間存在的機率分布,根據海森堡測不準原理,我們無法準確地測到它的位置,但可以測得在原子核外每壹點電子出現的機率。在波耳的氫原子模型中,原子在基態時的電子運動半徑,就是在波動力學模型裏,電子最大出現機率的位置。 隨著科學的演進,人類逐漸理解“電”的物理量所能取得的數值是不連續的,它們所反映的規律是屬於統計性的。
電對人類生活的重大影響現在還會在黑暗中探索。
電的發現和應用極大的節省了人類的體力勞動和腦力勞動,使人類的力量長上了翅膀,使人類的信息觸角不斷延伸。電對人類生活的影響有兩方面:能量的獲取轉化和傳輸,電子信息技術的基礎。襟抱堂網絡策劃機構認為,電的發現可以說是人類歷史的革命,由它產生的動能現在每天都在源源不斷的釋放,人對電的需求誇張的說其作用不亞於人類世界的氧氣,如果沒有電,人類的文明