什么是电?

电的实质

电的现象无处不在,那么电究竟是什么呢?

电是物质运动的一种形式,它是物质内所含的电子等载着流子运动时的一种能量表现形式。因此,从实质上讲,电是一种能量,常称作电能。

电在人们的生产和生活中得到了极其广泛的应用,如通电后可以使电灯发光或电炉发热(称电的热效应);可以使电动机转动(称电的动力效应);可以进行电解(称电的化学效应);电磁铁会产生强大的吸引力(称电的磁效应)等等。可见,电具有许多功能,它可以转化为其他多种形式的能量,因而,人们通常把以电功率表示的电能称为电力。

要想从本质上进一步弄懂电究竟是什么,必须先了解物质的电结构。近代科学的大量实验证明,任何物质都是由分子组成的,分子又由保持原物质属性的原子组成。原子是由原子核和电子组成的,原子核内还包含有质子与中子。

由于中子不带电,但质子带正电,所以原子核带正电,而电子则带负电。正常情况下,原子核所带的正电与电子所带的负电数量相等,因而平常原子(乃至物质)便不显带电状态。电子围绕着原子核按一定轨道运转,好像宇宙天体中的太阳系里各行星与太阳间的关系那样,处在外层轨道上的电子与原子核之间的联系比较薄弱。当电子在外界因素(如光、热、外力等)的影响下获得了一定能量后,就可能会脱离原子核对它的吸引与束缚而跑出轨道成为自由电子,使该物体因缺少了负电而呈现带正电的状态,另一种获得了自由电子的物体则带负电。

电学发展简史

“电”的词语在西方是从希腊文“琥珀”一词转意而来的,在中国则是从雷闪现象中引出来的。自18世纪中叶以来,对电的研究逐渐开展起来。人类对电的每项重大发现都引起广泛的实用研究,从而促进科学技术的飞速发展。

现今,人类生活、科学技术活动以及物质生产活动都离不开电,难以想象没有电的世界会是什么样子。随着科学技术的发展,某些带有专门知识的研究内容逐渐独立,形成专门的学科,如电子学、电工学等。电学又可称为电磁学,是物理学中具有重要意义的基础性学科。

有关电的记载可追溯到公元前6世纪。早在公元前585年,希腊哲学家泰勒斯已记载了用木块摩擦过的琥珀能够吸引碎草等轻小物体,后来又有人发现摩擦过的煤玉也具有吸引轻小物体的能力。在以后的2000多年中,这些现象仅仅被看成与磁石吸铁一样,属于物质具有的性质,此外没有什么其他重大的发现。

1600年,英国物理学家吉伯发现,不仅琥珀和煤玉摩擦后能吸引轻小物体,而且相当多的物质经摩擦后也都具有吸引轻小物体的性质。约在1660年,马德堡的盖利克发明了世界上第一台摩擦起电机。

18世纪,电的研究迅速发展起来。1729年,英国的格雷在研究琥珀的电效应是否可传递给其他物体时,发现导体和绝缘体的区别:金属可导电,丝绸不导电,并且他第一次使人体带电。格雷的实验引起法国学者迪费的注意。1733年,迪费发现绝缘起来的金属也可摩擦起电,因此他得出所有物体都可摩擦起电的结论。他把玻璃上产生的电叫做“玻璃的”,琥珀上产生的电与树脂产生的相同,叫做“树脂的”。他得出:带相同电的物体互相排斥;带不同电的物体彼此吸引。

1745年,荷兰莱顿的穆申布鲁克发明了能“保存”电的莱顿瓶。莱顿瓶的发明为电的进一步研究提供了条件,它对于电的知识的传播起到了重要的作用。

差不多同时,美国的科学家富兰克林做了许多有意义的工作,使得人们对电的认识更加丰富。1747年,他根据实验提出电是一种流体,且具有不凡特性:在正常条件下电是以一定的量存在于所有物质中的一种元素;电跟流体一样,摩擦的作用可以使它从一物体转移到另一物体,但不能创造;任何孤立物体的电总量是不变的,这就是通常所说的电荷守恒定律。他把摩擦时物体获得的电的多余部分叫做正电,物体失去电而不足的部分叫做负电。从此,对这两种性质截然相反的不同的带电状态给定了正式名称。接着在1752年震撼世界的“风筝实验”的成功,验证了雷与电的内在关系。18世纪后期开始了电荷相互作用的定量研究。1776年,普里斯特利发现带电金属容器内表面没有电荷,猜测电力与万有引力有相似的规律。1769年,鲁宾孙通过作用在一个小球上电力和重力平衡的实验,第一次直接测定了两个电荷相互作用力与距离二次方成反比。1773年,卡文迪什推算出电力与距离的二次方成反比,他的这一实验是近代精确验证电力定律的雏形。1782年,意大利物理学家伏特成功研制了蓄电池。虽然这类电源十分原始,但电池的发明,却是由静电发展到动电的重大突破,并促使电的研究得到迅速的发展。

1785年,法国物理学家库仑设计了精巧的扭秤实验,直接测定了两个静止点电荷的相互作用力与它们之间的距离二次方成反比,与它们的电量乘积成正比的库仑定律,库仑的实验得到了世界的公认,从此电学的研究开始进入科学行列。

化学电源发明后,很快发现利用它可以做出许多不寻常的事情。1800年,卡莱尔和尼科尔森用低压电流分解水;同年里特成功地从水的电解中搜集了两种气体,并从硫酸铜溶液中电解出金属铜;1807年,戴维利用庞大的电池组先后电解得到钾、钠、钙、镁等金属;1811年,戴维利用2000个电池组成的电池组制成了碳极电弧;从19世纪50年代起它成为灯塔、剧院等场所使用的强烈光电源,直到19世纪70年代才逐渐被爱迪生发明的白炽灯所代替。此外伏打电池也促进了电镀的发展,电镀是1839年由西门子等人发明的。

虽然早在1750年,富兰克林已经观察到莱顿瓶放电可使钢针磁化,甚至更早在1640年,已有人观察到闪电使罗盘的磁针发生旋转,但到19世纪初,科学界仍普遍认为电和磁是两种独立的作用。与这种传统观念相反,丹麦的自然哲学家奥斯特接受了德国哲学家康德和谢林关于自然力统一的哲学思想,坚信电与磁之间有着某种联系。1807年,丹麦学者奥斯特发现了导体通电后,它附近的小磁针就会发生偏转的现象,结果证实了这种使磁针偏转的电流具有磁效应。他断言当导体中有电流通过时,周围就会伴有磁场产生。这一电能生磁的重大发现,揭示了电现象与磁现象之间的内在联系,从而奠定了电磁学研究领域的基础。电流磁效应的发现开拓了电学研究的新纪元。

电流磁效应的发现打开了电的应用的新领域。1825年,斯特金发明电磁铁,为电的广泛应用创造了条件。1833年,高斯和韦伯制造了第一台简陋的单线电报;1837年,惠斯通和莫尔斯分别独立发明了电报机,莫尔斯还发明了一套电码,利用他所制造的电报机可通过在移动的纸条上打上点和短横线来传递信息。1861年,贝尔发明了电话,作为收话机,它仍用于现代,而其发话机则被爱迪生发明的碳发话机以及休士发明的传声器所改进。

法拉第在电磁感应的基础上制出了第一台发电机。此外,他把电现象和其他现象联系起来广泛进行研究。1882年,法国物理学家安培提出了关于电流使磁针受到力作用的电动力学原则,以及如何判定由电流产生磁场方向的安培右手定则(右螺旋定则)。它指出了电与磁既具有同一性,且电磁作用应采用“电流的相互作用”这一提法加以统一描述。1826年,英国爱尔兰的著名物理学家欧姆,在电流的研究中引入了电阻这一概念,在进行了大量实验后终于发现了控制电流的规律,归纳出了著名的欧姆定律:在任一通有电流的闭合电路中,电流强度与电动势成正比、而与电路总电阻成反比。后经另一位德国科学家基尔霍夫(也曾译为克希荷夫)进一步的研究,又提出了解决任意电路、特别是复杂电路的节点电流定律与回路电压定律。1827年,美国科学家亨利研制成功了强力电磁铁,并采用圆筒形线圈进行试验,来观察一个回路中接通与切断电流时的火花变化,从而发现并提出了自感现象。1828年,德国科学家高斯设计制成了测磁针、磁侧角计等,并采用磁偏角、磁倾角和磁强度这三个要素来描述地磁。1831年8月,英国物理学家、化学家法拉第,在进行了长达9年的反复研究后,终于发现了磁也能生电的规律,即动磁生电的规律,进一步明确了电与磁的关系并提出了磁力线概念。正是这项电磁感应的伟大发现,为后来发电机等电气设备的发明奠定了理论基础。1833年,俄国科学院院士楞次在其论文中阐述了磁场的变化不能突变的观点,并说明这是由于受感应电动势的反抗作用而引起的,因而,楞次定律又被人们称为电磁惯性定律。同时由此,他提出了确定感应电动势方向的楞次定则,它比用右手定则判定感应电动势方向具有更加普遍的意义。此外,他与英国物理学家焦耳几乎同时在不同地点发表了关于电流热效应的研究成果,即电阻上产生的热量与所通过电流的平方、电阻大小及通电时间三者成正比,后人称之为焦耳—楞次定律或简称焦耳定律。1833年,法拉第成功地证明了摩擦起电和伏打电池产生的电相同,1834年发现电解定律,1845年发现磁光效应,并解释了物质的顺磁性和抗磁性,他还详细研究了极化现象和静电感应现象,并首次用实验证明了电荷守恒定律。

1856年,英国科学家麦克斯韦除把库仑定律、安培定律及法拉第定律综合起来外,还提出了所谓位移电流的概念。在原有电磁学理论中引进了场的概念,并建立了麦克斯韦电磁场(微分)方程,这是电学发展史上又一光辉的里程碑。他认为是由于空间里某种称为以太的物质传播了电磁力,从而否定了名噪一时的牛顿超距作用。1873年,他又用过渡方程说明了在空间里随时间变化的电场和磁场是相互依存的。认为变化的电场性质能产生磁场,反之也是这样,从而推论出电磁场将以光速在真空里传播能量及光的电磁质。1887年,德国科学家赫兹成功地进行了用人工方法产生电磁波的实验,从而证实了麦克斯韦预言的正确性。

电磁感应的发现为能源的开发和广泛利用开创了崭新的前景。1866年,西门子发明了可供实用的自激发电机;19世纪末实现了电能的远距离输送;电动机在生产和交通运输中得到广泛使用,从而极大地改变了工业生产的面貌。

麦克斯韦认为,变化的磁场在其周围的空间激发涡旋电场;变化的电场引起媒质电位移的变化,电位移的变化与电流一样可以在周围的空间激发涡旋磁场。麦克斯韦明确地用数学公式把它们表示出来,从而得到了电磁场的普遍方程组——麦克斯韦方程组。法拉第的磁力线思想以及电磁作用传递的思想在其中得到了充分的体现。

1888年,赫兹根据电容器放电的振荡性质,设计制作了电磁波源和电磁波检测器,可以通过实验检测电磁波,测定了电磁波的波速。他还观察到电磁波与光波一样,具有偏振性质,能够反射、折射和聚焦。从此,麦克斯韦的理论逐渐为人们所接受。

麦克斯韦电磁理论通过赫兹电磁波实验的证实,开辟了一个全新的领域——电磁波的应用和研究。1895年,俄国人波波夫和意大利的马可尼分别实现了无线电信号的传送。后来马可尼将赫兹的振子改进为竖直的天线;德国的布劳恩进一步将发射器分为两个振藕线路,为扩大信号传递范围创造了条件。1901年,马可尼第一次建立了横跨大西洋的无线电联系。电子管的发明及其在线路中的应用,使得电磁波的发射和接收都成为易事,推动了无线电技术的发展,极大地改变了人类的生活。特别值得一提的是贝尔发明了电话,他在1876年2月14日在美国专利局申请了电话专利权。

1896年,洛伦兹提出的电子论,将麦克斯韦方程组应用到微观领域,并把物质的电磁性质归结为原子中电子的效应。这样不仅可以解释物质的极化、磁化、导电等现象以及物质对光的吸收、散射和色散现象,而且还成功地说明了关于光谱在磁场中分裂的正常塞曼效应。此外,洛伦兹还根据电子论导出了关于运动介质中的光速公式,把麦克斯韦理论向前推进了一步。

在法拉第、麦克斯韦和洛伦兹的理论体系中,假定了有一种特殊媒质“以太”存在,它是电磁波的荷载者,只有在以太参照系中,真空中光速才严格地与方向无关,麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式也只在以太参照系中才严格成立。这意味着电磁规律不符合相对性原理。关于这方面问题的进一步研究,导致了爱因斯坦在1905年建立了狭义相对论,狭义相对论的建立不仅发展了电磁理论,并且对以后理论物理的发展具有巨大的作用。

随着电力科学的不断发展,人类自19世纪70年代起,在电力应用技术方面的发明创造也同时获得了惊人的突破。1879年,美国科学家、发明家爱迪生发明并多次改进了白炽灯,后又发明了熔丝(当时是用锌丝)。爱迪生一生的各项发明创造,包括发电机、自动电报机、打字机、留声机以及新型蓄电池等,对人类作出了不朽的贡献。当时世界上已出现了单相交流电及单相同步发电机,但仅被应用在照明上。工业上用的交流电动机,最初也只是单相交流异步电动机。由于不能自行启动,它的使用受到了很大限制。1881年,爱迪生发明了交流发电机,1882年,法国的盖拉勒和英国的格布斯发明了磁路式变压器。1888年,俄国工程师德布罗夫斯基和德尔伏创建了三相交流制。1889年,三相交流电由试验到应用获得成功,并建立了世界上第一条三相制线路。不久,三相发电机及电动机相继问世,这就为三相交流制在世界上的普遍应用奠定了基础。自1890年采用三柱铁芯的三相变压器问世后,三相异步电动机就得到广泛应用,工业动力便很快被它所代替。这就使得电能在工业生产上的应用获得了迅速发展,并且逐步取代了蒸汽等动力源。到20世纪初,人类便结束了自1796年由英国瓦特发明蒸汽机起所开创的蒸汽时代,跨入了更为先进的电气时代。可见就三相交流制应用技术及电力事业的创建与发展来说,世界上从创造、试验到普遍应用,至今还仅为一百多年的时间。

电场

电场,是电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质。电场这种物质与通常的实物不同,它不是由分子原子所组成,但它是客观存在的。电场具有通常物质所具有的力和能量等客观属性。电场的力的性质表现为:电场对放入其中的电荷有作用力,这种力称为电场力。电场的能的性质表现为:当电荷在电场中移动时,电场力对电荷做功(这说明电场具有能量)。

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