网站地图
电(自然现象之一)

电是一种自然现象,指电荷运动所带来的现象。自然界的闪电就是电的一种现象。电是像电子和质子这样的亚原子粒子之间产生的排斥力和吸引力的一种属性。它是自然界四种基本相互作用之一。电子运动现象有两种:我们把缺少电子的原子说为带正电荷,有多余电子的原子说为带负电荷。

电是个一般术语,是静止或移动的电荷所产生的物理现象。在大自然里,电的机制给出了很多众所熟知的效应,例如闪电、摩擦起电、静电感应、电磁感应等等。

用来称呼许多种不同的自然现象,一般只需使用“电”这单字就已足以胜任。但是,用于科学领域,这术语的意思显得相当模糊。必须使用更明确的术语来区分各种各样不同的概念。

电荷:某些亚原子粒子的内涵性质。这性质决定了它们彼此之间的电磁作用。带电荷的物质会被外电磁场影响,同时,也会产生电磁场。

电流:带电粒子的定向移动,通常以安培为度量单位。

电场:由电荷产生的一种影响。附近的其它电荷会因这影响而感受到电场力。

电势:单位电荷在静电场的某一位置所拥有的电势能,通常以伏特为度量单位。

电磁作用:电磁场与静止或运动中的电荷之间的一种基本相互作用。

(一)电荷的电场
  失去电子或得到电子的物体就带有正电荷或负电荷,带有电荷的物体称为带电体。在电荷的周围存在着电场,引进电场中的电荷将受到电场力的作用。该电荷称为试探电荷!发出电场的电荷称为场源电荷!电场强度和电位是表示静电场中各点性质的两个基本物理量。电场中某点的电场强度即是单位正电荷在该点所受到的作用力。电场强度的单位是牛顿/库伦(N/C>o)电场中某点的电位是指在电场中将单位正电荷从该点移至电位参考点的电场力所作的功。电位的常用单位是伏特(V)或毫伏(mV ),即1V=1000mVe电场中某两点之间的电位差称为这两点之间的电压或电压降。电压的单位与电位的单位相同。电场强度由电场本身决定!一种物体的原子得到电子后会带上负电,失去电子后会带上正电。电性相反的电荷会互相吸引,电性相同的电荷会互相排斥。不带电荷的物体是一种电中性物体。
  (二)电流与电路
  在电源的非静电力作用下,同种带电微粒会发生定向移动,正电荷向电源负极移动、负电荷向电源正极移动。带电微粒的定向移动就是电流,一般规定正电荷移动的方向为电流的正方向。电流方向不随时间变化的电流叫直流电,电流方向随时间变化的电流叫交流电。区分直流和交流,仅仅是其方向而已,与其它的量无关。电流虽然有方向,但是是一个标量。电流的大小称为电流强度,电流强度简称为电流,等于每秒通过电路的电荷量。电流的常用单位是安培(A)或毫安培(mA),即1000mA=1A。电流所流经的路径即电路。在闭合电路中,实现电能的传递和转换。电路由电源、连接导线、开关电器、负载及其它辅助设备组成。电源是提供电能的设备,电源的功能是把非电能转换为电能,如电池把化学能转换为电能,发电机把机械能转换为电能,太阳能电池将太阳能转化为电能等。

干电池、蓄电池、发电机等是最常用的电源。负载是电路中消耗电能的设备,负载的功能是把电能转变为其它形式的能量。如电炉把电能转变为热能,电动机把电能转变为机械能等。照明器具、家用电器、机床等是最常见的负载。开关电器是负载的控制设备,如闸刀开关、断路器、电磁开关、减压起动器等都属于开关电器。辅助设备包括各种继电器、熔断器以及测量仪表等。辅助设备用于实现对电路的控制、分配、保护及测量。连接导线把电源、负载和其它设备连接成一个闭合回路,连接导线的作用是传输电能或传送电讯号。

很久以前,就有许多术士致力于研究电的现象。可是,所得到的结果真是乏善可陈,少之又少。直到十七和十八世纪,才出现了一些在科学方面重要的发展和突破。在那时,科学家并没有找到什么电的实际用途。这要等到十九世纪末期,由于电机工程学的进步,把电带进了工业和家庭里面。在这个电气研发的黄金时代,日新月异、连绵不断的快速发展带给了工业和社会,难以形容、无法想像的巨大改变。做为能源的一种供给方式,电所具有的多重优点,意味着电的用途几乎是无可限量。例如,大众交通、取暖、照明、电讯、计算等等,都必须用电为主要能源。来到二十一世纪,现代工业社会的骨干仍旧依赖着电能源。在可看见的未来,电能必是绿色科技的主角之一。

在对电的具体认知很多年前,人们就已经知道发电鱼(electric fish)会发出电击。根据公元前2750年撰写的古埃及书籍,这些鱼被称为“尼罗河的雷使者”,是所有其它鱼的保护者。大约两千五百年之后,希腊人、罗马人,阿拉伯自然学者和阿拉伯医学者,才又出现关于发电鱼的记载。古罗马医生 Scribonius Largus 也在他的大作《Compositiones Medicae》中,建议患有像痛风或头疼一类病痛的病人,去触摸电鳐,也许强力的电击会治愈他们的疾病。

阿拉伯人可能是最先了解闪电本质的族群。他们也可能比其它族群都先认出电的其它来源。早于15世纪以前,阿拉伯人就创建了“闪电”的阿拉伯字 “raad”,并将这字用来称呼电鳐。

在地中海区域的古老文化里,很早就有文字记载,将琥珀棒与猫毛摩擦后,会吸引羽毛一类的物质。公元前600年左右,古希腊的哲学家泰勒斯(Thales, 640-546B.C.)做了一系列关于静电的观察。从这些观察中,他认为摩擦使琥珀变得磁性化。这与矿石像磁铁矿的性质迥然不同;磁铁矿天然地具有磁性。泰勒斯的见解并不正确。但后来,科学会证实磁与电之间的密切关系。 [1]

18世纪时西方开始探索电的种种现象。

1732年,美国的科学家富兰克林(Benjamin Franklin,1706~1790)认为电是一种没有重量的流体,存在于所有物体中。当物体得到比正常份量多的电就称为带正电;若少于正常份量,就被称为带负电,所谓“放电”就是正电流向负电的过程(人为规定的),这个理论并不完全正确,但是正电、负电两种名称则被保留下来。此时期有关“电”的观念是物质上的主张。富兰克林做了多次实验,并首次提出了电流的概念。富兰克林的这一说法,在当时确实能够比较圆满地解释一些电的现象,但对于电的本质的认识与我们的“两个物体互相磨擦时,容易移动的恰恰是带负电的电子”的看法却是相反。

1752年,他提出了风筝实验(据传,没有实际证据证明富兰克林做过此类实验。)。其他科学家在实验中,将系上钥匙的风筝用金属线放到云层中,被雨淋湿的金属线将空中的闪电引到手指与钥匙之间,证明了空中的闪电与地面上的电是同一回事。后来他根据这个原理,发明了避雷针。

富兰克林让别人做了多次实验,进一步揭示了电的性质,并提出了电流这一术语。富兰克林对电学的另一重大贡献,就是通过设计1752年著名的风筝实验,“捕捉天电”,证明天空的闪电和地面上的电是一回事。科学家用金属丝把一个很大的风筝放到云层里去。金属丝的下端接了一段绳子,另在金属丝上还挂了一串钥匙。当时富兰克林一手拉住绳子,用另一手轻轻触及钥匙。于是科学家立即感到一阵猛烈的冲击(电击),同时还看到手指和钥匙之间产生了小火花。而且科学家的手被弹开了,这个实验表明:被雨水湿透了的风筝的金属线变成了导体,把空中闪电的电荷引到手指与钥匙之间。这在当时是一件轰动一时的大事。一年后富兰克林总结制造出了世界上第一个避雷针。

电流现象的研究,对于人们深入研究电学和电磁现象有着重要的意义。最早开始电流研究的是意大利的解剖学教授伽伐尼(1737-1798)。伽伐尼的发现源自于1780年的一次极为普通的闪电现象。闪电使伽伐尼解剖室内桌子上与钳子和镊子环接触的一只青蛙腿发生痉挛现象。严谨的科学态度,使他没有放弃对这个“偶然”的奇怪现象的研究。他花费了整整12年的时间,研究像青蛙腿这种肌肉运动中的电气作用。最后,他发现如果使神经和肌肉同两种不同的金属(例如铜丝和铁丝)接触,青蛙腿就会发生痉挛。这种现象是在一种电流回路中产生的现象。但是,伽伐尼对这种电流现象的产生原因仍然未能回答,他认为蛙腿的痉挛现象是“动物电”的表现,由金属丝构成的回路只是一个放电回路。

伽伐尼的看法在当时的科学界中引起了巨大的反响,但是,另一位意大利科学家伏打(伏特)(1745~1827)不同意伽伐尼的看法,他认为电存在于金属之中,而不是存在于肌肉中,两种明显不同的意见引起了科学界的争论,并使科学界分成两大派。1799年,意大利科学家伏特以含食盐水的湿抹布,夹在银和锌的圆形板中间,堆积成圆柱状,制造出世界上最早的电池-伏特电池。1800年春季,伏特在英国皇家协会发表关于伏打电池的论文。

1821年英国人‘法拉第’完成了一项重大的电发明。在这两年之前,奥斯特已发现如果电路中有电流通过,它附近的普通罗盘的磁针就会发生偏移。法拉第从中得到启发,认为假如磁铁固定,线圈就可能会运动。根据这种设想,他成功地发明了一种简单的装置。在装置内,只要有电流通过线路,线路就会绕着一块磁铁不停地转动。事实上法拉第发明的是第一台电动机,是第一台使用电流将物体运动的装置。虽然装置简陋,但它却是今天世界上使用的所有电动机的祖先。

1831年,法拉第制出了世界上最早的第一台发电机。他发现第一块磁铁穿过一个闭合线路时,线路内就会有电流产生,这个效应叫电磁感应。一般认为法拉第的电磁感应定律是他的一项最伟大的贡献。

1866年德国人西门子(Siemens)制成世界上第一台工业用发电机。

从物质到电场

1600年,英国人吉尔伯特(William Gilbert,1544-1603)发明了验电器,这为后来人们对电的研究提供了试验基础。1660年,德国人居里克( Ott von Guerick,1602-1686)制造摩擦起电机。

在十八世纪电的量性方面开始发展,1767年蒲力斯特里(J.B.Priestley)与1785年库仑(C.A.Coulomb 1736-1806)发现了静态电荷间的作用力与距离平方成反比的定律,奠定了静电的基本定律。

在1800年,意大利的伏特(A.Voult)用铜片和锌片浸于食盐水中,并接上导线,制成了第一个电池,他提供首次的连续性的电源,堪称现代电池的元祖。1831年英国的法拉第(M. Faraday)利用磁场效应的变化,展示感应电流的产生。1851年他又提出物理电力线的概念。这是首次强调从电荷转移到电场的概念。

电场与磁场

1865年、苏格兰的麦克斯韦(J. C. Maxwell)提出电磁场理论的数学式,这理论提供了位移电流的观念,磁场的变化能产生电场,而电场的变化能产生磁场。麦克斯韦预测了电磁波辐射的传播存在,而在1887年德国赫兹(H.Hertz)展示出这样的电磁波。结果麦克斯韦将电学与磁学统合成一种理论,同时证明了光是电磁波的一种。

麦克斯韦电磁理论的发展也针对微观方面的现象做出解释,并指出电荷的分裂性而非连续性的存在,1895年洛伦兹(H.A.Lorentz)假设这些分裂性的电荷是电子(electron),而电子的作用就依麦克斯韦电磁方程式的电磁场来决定。1897年英国汤姆生(J.J.Thomson)证实这些电子的电性是带负电性。而1898年由伟恩(W.Wien)在观察阳极射线的偏转中发现带正电粒子的存在。

从粒子到量子

而人类一直以自然界中存在的粒子与波来描述“电”的世界。到了19世纪,量子学说的出现,使得原本构筑的粒子世界又重新受到考验。海森堡(Werner Heisenberg)所提出的“测不准原理”认为一个粒子的移动速度和位置不能被同时测得;电子不再是可数的颗粒;也不是绕著固定的轨道运行。

一九二三年,德布罗意(Louis de Broglie)提出当微小粒子运动时,同时具有粒子性和波动性,称为“波粒二象性”,而薛定谔(Erwin Schrodinger)用数学的方法,以函数来描述电子的行为,并且用波动力学模型得到电子在空间存在的机率分布,根据海森堡测不准原理,我们无法准确地测到它的位置,但可以测得在原子核外每一点电子出现的机率。在波耳的氢原子模型中,原子在基态时的电子运动半径,就是在波动力学模型里,电子最大出现机率的位置。

随著科学的演进,人类逐渐理解“电”的物理量所能取得的数值是不连续的,它们所反映的规律是属于统计性的。

静电

直流电

现象

静止的电荷(通常存在于绝缘体内,如橡胶、毛皮、琥珀、云层)

流动方向不会改变的电荷

放电时间

瞬间放电(皮秒~微秒),通常是由于击穿绝缘体导致的放电。

持续放电(通常是存在于电路中的)

能量

由大到小可为:闪电、脱毛衣、塑料尺等

由大到小可为:直流输电线路,电瓶,电子产品使用的干电池等

人体感觉

通常不易感(除闪电外)

36V以上即可对人体造成伤害

物质中的电效应是电学与其他物理学科(甚至非物理的学科)之间联系的纽带。物质中的电效应种类繁多,有许多已成为或正逐渐发展为专门的研究领域。比如:

电致伸缩、压电效应(机械压力在电介质晶体上产生的电性和电极性)和逆压电效应、塞贝克效应、珀耳帖效应(两种不同金属或半导体接头处,当电流沿某个方向通过时放出热量,而电流反向时则吸收热量)、汤姆孙效应(一金属导体或半导体中维持温度梯度,当电流沿某方向通过时放出热量,而电流反向时则吸收热量)、热敏电阻(半导体材料中电阻随温度变化而变化)、光敏电阻(半导体材料中电阻随光照灵敏变化)、光生伏打效应(半导体材料因光照产生电位差),等等。

对于各种电效应的研究有助于了解物质的结构以及物质中发生的基本过程,此外在技术上,它们也是实现能量转换和非电量电测法的基础。

也是电学的组成部分。测量技术的发展与学科的理论发展有着密切的联系,理论的发展推动了测量技术的改进;测量技术的改善在新的基础上验证理论,并促成新理论的发现。

电磁测量包括所有电磁学量的测量,以及有关的其他量(交流电的频率、相角等)的测量。利用电磁学原理已经设计制作出各种专用仪表(安培计,伏特针、欧姆计、磁场计等)和测量电路,它们可满足对各种电磁学量的测量。

电磁测量的另一个重要的方面是非电量(长度、速度、形变、力、温度、光强、成分等)的电测量。它的主要原理是利用电磁量与非电量相互联系的某种效应,将非电量的测量转换为电磁量的测量。由于电测量有一系列优点:准确度高、量程宽、惯量小、操作简便,并可远距离遥测和实现测量技术自动化,非电量的电测量正在不断发展。

我们用的电池和伏特当初所制造的电池组,是运用相同的原理。电池的外壳都是由锌制成;锌的外面再会覆盖一层塑料或洋铁皮,以防止电池发生渗漏的情形。在电池里没有银片或铜片,而是在正中央有一根碳棒(像很粗的铅笔芯)。电池里的碳棒和锌的外壳之间装的是浓稠的糊状化学物质(电解液)。

电的发现和应用极大的节省了人类的体力劳动和脑力劳动,使人类的力量长上了翅膀,使人类的信息触角不断延伸。电对人类生活的影响有两方面:能量的获取转化和传输,电子信息技术的基础。电的发现可以说是人类历史的革命,由它产生的动能每天都在源源不断的释放,人对电的需求夸张的说其作用不亚于人类世界的氧气,如果没有电,人类的文明还会在黑暗中探索。

消费类电子产品在不同发展水平的国家有不同的内涵,在同一国家的不同发展阶段有不同的内涵。

中国消费类电子产品是指用于个人和家庭与广播、电视有关的音频和视频产品,主要包括:电视机、影碟机(VCD、 SVCD、DVD)、IPTV、录像机、摄录机、收音机、收录机、组合音响、电唱机、激光唱机(CD)等。而在一些发达国家,则把电话、个人电脑、家庭办公设备、家用电子保健设备、汽车电子产品等也归在消费类电子产品中。随着技术发展和新产品新应用的出现,数码相机、手机、PDA等产品也在成为新兴的消费类电子产品。从二十世纪九十年代后期开始,融合了计算机、信息与通信、消费类电子三大领域的信息家电开始广泛地深入家庭生活,它具有视听、信息处理、双向网络通讯等功能,由嵌入式处理器、相关支撑硬件(如显示卡、存储介质、IC卡或信用卡的读取设备)、嵌入式操作系统以及应用层的软件包组成。广义上来说,信息家电包括所有能够通过网络系统交互信息的家电产品,如PC、机顶盒、HPC、DVD、超级VCD、无线数据通信设备、视频游戏设备、WEBTV等。音频、视频和通讯设备是信息家电的主要组成部分。电冰箱、洗衣机、微波炉等也发展成为了信息家电,并构成智能家电的组成部分。

现代的电力供应由于常规能源的日益减少而出现了供应危机,世界各国均以新能源作为发展方向,主要推广的有风能、太阳能、地热能等,随着技术的进步,电力供应的常规能源消耗将被取代!人类的生活环境会得到改善!

虽然如此,维修电路时适当的防护是必不可少的,电工手套等设备都是为了增大电阻,减小通过人体的电流。同时,一些小技巧,如维修电路时背着左手都可减小触电的危险。


相关文章推荐:
自然 | 现象 | 闪电 | 质子 | 属性 | 正电荷 | 负电荷 | 闪电 | 摩擦起电 | 静电感应 | 电磁感应 | 自然 | 亚原子粒子 | 电磁作用 | 电磁场 | 带电粒子 | 安培 | 度量 | 电场 | 电场力 | 电势 | 静电场 | 电势能 | 度量 | 静止 | 基本相互作用 | 电子 | 电荷 | 电场 | 电场强度 | 电位 | 电压 | 电位 | 电源 | 电流 | 安培 | 电路 | 干电池 | 蓄电池 | 发电机 | 电炉 | 电动机 | 电机工程学 | 大众交通 | 绿色科技 | 古埃及 | 尼罗河 | 古希腊 | 泰勒斯 | 富兰克林 | 放电 | 避雷针 | 富兰克林 | 避雷针 | 伽伐尼 | 伽伐尼 | 伏打 | 伏打电池 | 电动机 | 电磁感应 | 电磁感应定律 | 西门子 | 发电机 | 吉尔伯特 | 居里克 | 库仑 | 反比 | 法拉第 | 感应电流 | 麦克斯韦 | 赫兹 | 磁学 | 洛伦兹 | 汤姆生 | 射线 | 粒子 | 学说 | 薛定谔 | 波耳 | 原子 | 基态 | 直流电 | 交流电 | 直流输电 | 半导体材料 | 欧姆计 | 准确度 | 量程 | 惯量 | 体力劳动 | 人类历史 | 氧气 |
相关词汇词典