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自然界的閃電是電的一種現象。

是靜止或移動的電荷所產生的物理現象。在大自然裏,電的機制給出了很多眾所熟知的效應,例如閃電摩擦起電靜電感應電磁感應等等[1]

在關於「電」的論述裏,時常會用到以下重要基本概念:

很久以前,就有許多術士致力於研究電的現象,但所得到的結果乏善可陳,少之又少。直到十七和十八世紀,才出現了一些在科學方面重要的發展和突破,不過在那時,科學家並沒有找到電的甚麼實際用途。十九世紀末,由於電機工程學的進步,電才進入了工業和家庭裡。從那時開始,日新月異、突飛猛進的快速發展帶給了工業和社會巨大的改變。作為能源的一種供給方式,電有許多優點,這意味著電的用途幾乎是無可限量。例如,交通取暖照明電訊計算等等,都必須以電為主要能源。進入二十一世紀,現代工業社會的骨幹仍是電能源。一般認為,在可預見的未來,電必定是綠色科技的主角之一[2]

歷史[编辑]

古代發現[编辑]

泰勒斯是人們所知最早研究電現象的科學家。

早在對於電有任何具體認知之前,人們就已經知道發電魚electric fish)會發射電擊。根據西元前2750年撰寫的古埃及書籍,這些魚被稱為「尼羅河的雷使者」,是所有其它魚的保護者。大約兩千五百年之後,根據紀錄,希臘羅馬、後來的阿拉伯,在這些地方的自然學者醫生等等,對於電鯰地中海電鰩所散發出的強烈電擊仍舊感到極為困惑。[3]。古代羅馬醫生斯克力邦尼·拉格斯Scribonius Largus)在著作《醫學精選》(Compositiones Medicae)裏建議,患有像痛風頭疼一類病痛的病人去觸摸電鰩,或許強勁的電擊會治愈他們的疾病[4]:182-185[5]:6

阿拉伯人可能是最先了解閃電本質的族群。他們也可能比其它族群都先找出電的其它來源。早於 15 世紀以前,阿拉伯人就創建了「閃電」的阿拉伯字 「raad」,並將這字用來稱呼電鰩[6]:171

在地中海區域的古老文化裏,很早就有文字記載,將琥珀棒與貓毛摩擦後,會吸引羽毛一類的物質。西元前 600 年左右,希臘的哲學家泰勒斯做了一系列關於靜電的觀察,從這些觀察中,他推論摩擦會使琥珀變得磁性化。這與像磁鐵礦一類礦石的性質大不相同;磁鐵礦天然地具有磁性[7]:50。泰勒斯的見解並不正確;但後來,科學會證實磁與電之間的密切關係。

吉爾伯特製成的靜電驗電器是一種可以探測靜電電荷的驗電器。當帶電物體接近金屬指針的尖端時,因為靜電感應,異性電荷會移動至指針的尖端,指針與帶電物體會互相吸引,從而使得指針轉向帶電物體。

幾千年來,電只不過是學者們好奇的智慧玩意兒,直到1600年,由於威廉·吉爾伯特的嚴謹治學態度,才開始對於電與磁的現象出現系統性研究。吉爾伯特是英國女王伊莉莎白一世的皇家醫生,他對於電和磁特別有興趣,撰寫了第一本闡述電和磁的科學著作《論磁石》。這是一本具有現代科學精神的書籍,著重於從實驗結果論述。吉爾伯特指出,琥珀不是唯一可以經過摩擦產生靜電的物質,鑽石藍寶石玻璃等等,也都可以演示出同樣的電學性質,在這裡,他成功地擊破了琥珀的吸引力是其內秉性質這持續了2000年的錯誤觀念[8]{{rp|8-11}。吉爾伯特製成的靜電驗電器可以敏銳的探測靜電電荷。在之後的一個世紀,這是最優良的探測靜電電荷的儀器。先前,義大利數學家和醫生吉羅拉莫·卡爾達諾列出一些電現象與磁現象的不同之處。從卡爾達諾的結果,吉爾伯特得到很多啟發,他提出更多分歧之處:帶電物質會吸引所有其它物質,而磁石只會吸引鐵器;琥珀需要磨擦才能產生電性,而磁石不需要任何動作;磁石會將物體按照某定向排列,而帶電物質則只會吸引其它物質。[9]:29-30[8]{{rp|11-12}。吉爾伯特創建了新拉丁術語「electrica」(類似琥珀,從「ήλεκτρον」,「elektron」,希臘文的「琥珀」),意思為像琥珀的吸引方式一般的那些物質[10]:302[11]。由於他在電學的眾多貢獻,吉爾柏特被後人尊稱為「電學之父」[6]:172。後來,從「electricus」又衍生了英文字「electric」和「electricity」,這兩個英文字最先出現於托马斯·布朗的 1646 年著作《世俗謬論》(Pseudodoxia Epidemica,英文書名《Vulgar Errors》)[12]。之後,科學家奧托·馮·格里克羅伯特·波義耳史蒂芬·葛雷Stephen Gray) 、查理·杜費Charles du Fay) 等等,都做了更進一步的研究。

十八世紀[编辑]

生於十八世紀初,富蘭克林對於電的研究貢獻良多。

1752 年 6 月,自學有成的班傑明·富蘭克林做了一個古今聞名的風箏實驗;他與兒子在雷雨中放風箏,將空中的閃電吸引過來,在風箏線另一端綑綁的一隻金屬鑰匙與富蘭克林的手之間,產生一系列的電花,他同時感受到麻電的滋味,這證實了閃電是電的一種現象[13]:92-94[14]。富蘭克林又做實驗發現了電荷守恆定律,即在任何孤立系統裏,總電量不變[9]:44

1767年,約瑟夫·普利斯特里做實驗發現,在帶電金屬容器的內部,電作用力為零。從這實驗結果,他準確猜測,帶電物體作用於彼此之間的吸引力與萬有引力都遵守同樣的定律。1785年,查尔斯·库仑扭秤(torsion balance)做實驗證實了普利斯特里的猜測,兩個帶電物體施加於彼此之間的作用力與距離成平方反比。他奠定了靜電的基本定律,即庫侖定律。於此,電的研究已提升成為一種精確科學(exact science)[9]:50-51, 56

1791 年,路易吉·伽伐尼發現,假設將青蛙與靜電發電機英语electrostatic generator連結成閉合電路,然後開啟靜電發電機,則青蛙肌肉會顫動。這實驗演示出,神經細胞倚賴電的媒介將信號傳達到肌肉。他因此創建了生物電英语bioelectricity學術領域。 1800 年,亞歷山卓·伏打伯爵將銅片和鋅片浸於食鹽水中,並接上導線,製成了第一個電池:伏打電池,堪稱是現代電池的元祖。伏打電池給予科學家一種比靜電發電機更穩定的電源,能夠連續不斷的供給電流[15]:331-333[9]:67-75

十九世紀[编辑]

詹姆斯·馬克士威

1820 年,漢斯·奧斯特在課堂做實驗時意外發現,電流能夠偏轉指南針的方向,演示出電流周圍會生成磁場,即電流的磁效應。稍後,安德烈-瑪麗·安培對於這現象做定量描述,給出安培力定律安培定律[16]。他們兩個人的研究成果成功地將電與磁現象連結在一起,共稱為「電磁現象」。應用這理論,可以製作出來磁性超強勁於天然磁石的電磁鐵。1827 年,格奧爾格·歐姆發展出一套精緻的數學理論來分析電路[15]:331-333

1831年,麥可·法拉第約瑟·亨利分別獨立地發現了電磁感應──磁場的變化可以生成電場。1865年,詹姆斯·馬克士威將電磁學加以整合,提出馬克士威方程組,並且推導出電磁波方程式。由於他計算出來的電磁波速度與測量到的光速相等,他大膽預測光波就是電磁波。1887年,海因里希·赫兹成功製成並接收到馬克士威所描述的電磁波。麥克斯韋將電學、磁學與光學統合成一種理論[15]:333-335

1859年,德國物理學家尤利烏斯·普呂克將真空管兩端的電極之間通上高壓電,製成陰極射線。物理學者發現,陰極射線是以直線傳播,但其傳播方向會被磁場偏轉。陰極射線具有可測量的動量與能量1897年,約瑟夫·湯姆森做實驗證實,陰極射線是由帶負電的粒子組成,稱為電子,因此他發現了電子[15]:335

十九世紀早期見證了電磁學快速蓬勃,如火如荼的演進。到了後期,應用電磁學的先進知識,電機工程學開始了一段突破性的發展。例如,亞歷山大·貝爾發明了電話湯瑪斯·愛迪生設計出優良的白熾燈直流電力系統尼古拉·特斯拉發展完成感應電動機卡爾·布勞恩改良成功裝置在顯示器電視機裏的陰極射線管。由於這些與其他眾多發明家所做出的貢獻,電已經成為現代生活的必需工具,更是第二次工業革命的主要動力[17]:1, 4

二十世紀[编辑]

從左至右:巴丁、肖克利和布喇頓。

1887年,德國物理學者海因里希·赫茲發現,照射紫外線電極可以幫助產生更多電花[18][19]。這就是光電效應所產生的現象。包括約瑟夫·湯姆森菲利普·萊納德在內的物理學者們,對於光電效應的做了很多理論研究與實驗研究。1905年,阿爾伯特·愛因斯坦發表論文對於光電效應的眾多實驗數據給出解釋。愛因斯坦主張,光束是由一群離散的量子(現稱為光子)組成,而不是連續性波動。假若光子的頻率大於某極限頻率,則這光子擁有足夠能量來使得金屬表面的電子逃逸,造成光電效應。這個重要發現展開了量子物理的大門[20]

1901年,古列爾莫·馬可尼從英國發射無線電訊號,越過大西洋,傳送至加拿大[21]。1906年,「無線電之父」李·德富雷斯特研究出真空三極管。這重大發明推動電子時代急速向前推進,使得無線電與長途電話科技不再是遙不可及的夢想[22]。但是,到了1940、1950年代,固態原件開始出現在越來越多個場合,這標記著真空管科技的快速沒落與半導體科技的崛起。1947年,貝爾實驗室威廉·肖克利約翰·巴丁沃爾特·布喇頓工作團隊發明了電晶體。這是二十世紀最重要的發明之一,凡是電子器具大多都須要用到電晶體[23]傑克·基爾比於1958年和羅伯特·諾伊斯於1959年分別獨立發明積體電路。現今,大量電晶體、二極管、電阻器、電容器等等電子原件都可以被裝配在單獨的積體電路裏[24]

基本概念[编辑]

電荷[编辑]

在一個金箔驗電器裏的電荷,使兩片金箔葉子明顯地互相排斥。

電荷是某些亞原子粒子的內秉性質。電子質子夸克是帶有電荷的粒子,稱為「帶電粒子」;中子中微子不帶有電荷,不是帶電粒子。電荷分為正電荷與負電荷兩種。電荷量是電荷的數量,單位是庫侖(coulomb)。正電荷的電荷量大於零,負電荷的電荷量小於零。根據常規,電子帶有負電荷,每一個電子帶有同樣的電荷量,大約為 −1.6022×10−19 coulomb。質子帶有正電荷,質子的電荷量與電子的電荷量相同而異性,為 +1.6022×10−19 coulomb。反粒子也可以帶有電荷。對應於每一個帶電粒子,其反粒子擁有同數量的異電性電荷[25]兩個電荷的電荷量的代數和就是它們的總電荷量。電荷守恆定律表明,電荷量是個守恆量;在一個孤立系統內,不論發生什麼變化,總電荷量都會保持不變。[26]:2-5

宏觀而言,物體的每一個粒子所帶有的電荷,可以總括指稱為「這物體的電荷」。帶有這電荷的物體稱為「帶電物體」。假若兩個物體都帶有正電荷或都帶有負電荷,則稱這兩個物體「同電性」;假若一個物體帶有正電荷,另一個物體帶有負電荷,則稱這兩個物體「異電性」。同電性相斥,異電性相吸。做一個簡單實驗,先將毛布摩擦玻璃棒,使玻璃棒充電(帶有電荷),然後再將玻璃棒分別接觸兩個用線繩懸掛在半空中的輕球 A、B ,這時可以觀察到,這兩個輕球 A與B 會相互排斥,因為它們都帶有同電性電荷。又將另一塊毛布摩擦琥珀棒,使琥珀棒充電,然後再將琥珀棒分別接觸另外兩個用線繩懸掛在半空中的輕球 C、D ,這時可以觀察到,輕球 C與D 也會相互排斥,因為它們也都帶有同電性電荷。但是,輕球 A與C 會相互吸引,因為它們分別帶有異電性電荷。假若一個帶有電荷的物體吸收到同樣數量的異電性電荷,則此物體會變為電中性,不會被任何帶有電荷的物體吸引或排斥。[27]:457

這些輕球所感受到的排斥力或吸引力是靜電力。靜電力出自於電荷:兩個帶電物體會相互施加靜電力於對方。靜電力只會作用於帶電物體。庫侖定律對於靜電力作定量描述:靜電力分別與兩個帶電物體的電荷量成正比,與兩個帶電物體之間的距離成平方反比。[26]:35[28]

電荷可以用很多種方法來測量。早期,科學家用金箔驗電器來測量電荷。現在,在課堂上示範,常會使用這方法。但是,大多數實際工作狀況會使用靜電計英语electrometerelectrometer)來測量電荷[26]:2-5

電流[编辑]

由於電場太強,造成電崩潰,因而產生的電弧顯示出電流從一根釘子流動到另外一根釘子的路徑。

電荷的移動,稱為電流,通常以安培(ampere)為度量單位。任何移動中的帶電粒子都可以形成電流;最常見的是電子。 

按照歷史常規,電流的方向與正電荷的流動方向相同,即從電路電勢較高位置(高電壓)流動到電勢較低位置(低電壓);按照這流向定義的電流稱為常規電流。在電路裏,帶負電荷的電子的運動方向,與電流的方向相反。但是,依狀況不同,帶電粒子往不同方向的流動,或者同時往不同方向的流動,都可以形成實際電流[29]。為了要給予科學家一個交通意見的共同語言,通常採用「正至負常規」。

電傳導指的是電流從物質的某位置移動到另一個位置。電傳導的行為隨著帶電粒子和物質的不同而變化。例如,金屬傳導是電子移動於金屬類的導體電解傳導是離子移動於電解液。雖然帶電粒子本身移動的很慢,有時候平均漂移速度小於 1 mm/s[26]:17,由於作用於粒子的電場的傳播速度接近於光速,電子信號仍舊能夠快速傳播[30]

在電機工程或家用電器領域裏,電流又分為直流(DC)及交流(AC)。這些術語意指電流怎樣隨著時間變化。直流是一種單向的流動,從電路的電勢較高部分流到電勢較低部分。電池生成的電流是直流。大多數電子元件的運作都需要直流。交流是多次反覆流動方向的電流。電流的主要形式為正弦波。隨著時間流易而改變,交流會在導體內來來回回的振盪,但內中涉及的電荷並沒有任何淨位移的動作。經過時間平均,交流的電流是零。與直流在穩態狀況時不同,交流會被電路内的電容器電感器等等所影響。[31]:11, 206-207, 223-225

電場[编辑]

在平面導體上方的正電荷所散發出來的電場線。

電荷會在周圍空間生成電場。為了探測這電場,可以在空間內任意位置放入一個檢驗電荷,這電場會作用於檢驗電荷,施加作用力於檢驗電荷,從測量作用力可以證實電場的存在。稱這作用力為電場力。電場力可能是排斥力,也可能是吸引力。這與重力不同。重力只可能是吸引力。電場是電場力與檢驗電荷量的比值。假設源電荷是負電荷,則電場會往內收斂,終止於源電荷;假設源電荷是正電荷,則電場會向外散發,往無窮遠延伸。電場與離開源電荷的距離成平方反比,與源電荷成正比[32]:60

電場定義為在空間某一位置的檢驗電荷所感受到的電場力每單位電荷。在這裏,檢驗電荷必須是靜止的,以免產生磁場;它還必需非常微小,以免自己產生的電場影響主電場。由於電場力是一個向量,電場也是一個向量,擁有大小方向。更具體地說,電場是一個向量場[27]:469-470

電場可以用一組虛擬的的曲線來想像,在任意位置,曲線的方向跟電場的方向相同。這組曲線被稱為電場線。從靜止電荷散發出來的電場線有幾個特性[27]:479

  1. 電場線開始於正電荷,終止於負電荷。
  2. 電場線必須以直角進入理想導體
  3. 兩條電場線絶對不會相交;電場線絶對不會與自己相交。
  4. 電場線的密度越大,則電場越強。

一個空心導體所帶有的電荷全都分佈於外表面。在導體的內部,電場等於零。這是法拉第籠的運作原理。導體殼會將內部孤立起來,不使受到外部的電場影響。假設在導體殼所包圍的空腔內部,嵌入了一些電荷,則導體殼內表面會被感應出電荷;導體殼部分的電場仍舊是零[33]:612-614

當設計高壓電器時,必須注意到靜電學的原理。任何介質都存在有一個能夠承受的最大極限電場。超過這極限,就會發生電擊穿,在兩個帶電物體之間的介質,產生電弧,因而使得電荷從一個帶電物體跳躍到另一個帶電物體。例如,當電場超過 30 kV/cm 時,夾在狹窄裂縫内的空氣,會產生電弧。對於較粗寬的裂縫,電擊穿的極限電場比較低,大約為 1 kV/cm[34] 。在大自然裏,最常見到的電擊穿是閃電。熱空氣的上升會使電荷被分離於不同的雲層,因而使雲層間的電場增強。當這電場超過擊穿電壓梯度的時候,就會發生閃電。大型閃電雲層的電壓可以高達100 MV ,放電能量大約為 250 kWh[35][36]

導體對於其附近的電場影響極大。特別是,在尖銳導體的附近,電場會變得非常強烈。避雷針的運作原理就是應用這簡單機制。避雷針的尖銳針刺引誘閃電在那裡生成,因此避開其意圖保護的建築物[37]:155

電勢[编辑]

兩個同性電荷的電場線和等勢線。

電勢的概念與電場密切相關。處於電場某位置的檢驗電荷會感受到電場力,因此,將檢驗電荷移動至這位置需要做機械功。電勢的正式定義為,單位電荷從無窮遠,經過任意路徑,緩慢地移動到該位置,所做的機械功[註 1]。電勢又稱為電位,是一個標量,其數值只具有相對意義,不具絕對意義,因此,電勢的數值取決於電勢為零的位置。在電勢的正式定義裏,電勢為零的位置是無窮遠。電勢的度量單位是伏特(volt)。假設,將1coulomb的電荷(單位電荷)從無窮遠緩慢地移動到某位置,需要用到1joule的機械功,則這位置的電勢為1volt。這樣定義電勢,雖然很正式,實際而言比較不容易使用。電壓是比較容易使用的概念;電壓定義為單位電荷從某初始位置緩慢地移動到某終止位置所需的能量。電場有一個特性,就是保守性:電荷從初始位置移動到終止位置,所需的能量與移動的路徑無關。因此,電壓是個唯一值[27]:494-498

為了實用目的,科學家時常會為電勢設定一個共同參考點。這樣,可以方便地計算和比較其它位置的電勢。對於物理理論研究,這參考點可以設定為無窮遠。對於電機工程學,比較有用的參考點是地球,即假定在地球表面的每一個地方,電勢都相同。這地球參考點稱為接地。地球被假定為正電荷或負電荷的無窮源,因此,地球呈電中性,不能夠被充電[38]

電勢可以與高度類比:由於引力場作用,一個自由落體會從高處掉落到低處;類似地,因為電場作用,正電荷會從電勢高的位置移動到電勢低的位置[39]。在等高線圖裏的等高線可以顯示出同樣高度的點,類似地,在一個帶電體的四周,可以繪出一組曲線,其中每一條曲線都是由電勢相等的點所構成的,稱為等勢線。等勢線與電場線以直角相交。等勢線平行於導體的表面。

電場的正式定義是單位電荷感受到的電場力。電勢的概念等價地給出更實用的定義:電場是電勢的負梯度。電場的單位是「伏特/公尺」 (volt/meter),方向與電勢的負梯度同向,與等勢線最緊密的方向反向[26]:60

電磁現象[编辑]

電流會在周圍生成磁場,以右手定則設定的方向環繞著電流。

電流會在其周圍生成磁場;因此,在載流導線(電流所流過的電線)的周圍,指南針的磁針會感受到作用力,會被偏轉,不再指向先前電流為零時的方向。這意味著電和磁之間有一種直接的,密切的關係;這關係所涉及的作用力不同於引力和靜電力。指南針的磁針所感受到的作用力,並沒有使它直接指向電線或朝反方向指去,而是沿著磁場的方向,即以電線截面為中心的某圓圈的切線方向,而當逆反電流的方向時,作用力的方向也會逆反過來[40]。電與磁的這種關係可以用安培定律來做定量描述:磁場沿著閉合迴路的環量與閉合迴路所包圍的電流成正比[32]:225

脑磁图描记术(magnetoencephalography)可以描記腦部神經活動,是一種脑功能图像检测技术;它使用超敏銳的超導量子干涉儀陣列來測量腦部的電流脈波所生成的磁場,從這儀器測量到的腦磁波數據經繪成腦磁圖後,可以用來研究腦的感覺與認知功能等等[33]:768-769

處於含時磁場的閉合電路,由於磁場隨著時間流易而改變,會有電動勢出現於閉合電路,這電動勢會使得帶電粒子感受到電場,因此會產生電流。這現象稱為電磁感應現象。法拉第定律對於這現象給出定量描述:穿過閉合電路的磁通量,其變化率等於在這閉合電路裏出現的電動勢。冷次定律能夠找出電動勢和感應電流的方向:由於磁通量的改變而產生的感應電流,其方向為抵抗磁通量改變的方向。[33]:793-795

應用法拉第定律,發電機可以將各種動力(如水力、風力)所做的機械功轉換成電能。用各種動力(如水力、風力)使得線圈在磁鐵的兩極間轉動;隨著線圈的轉動,線圈內的磁場也會改變,因此會產生感應電流,這就是發電機的工作機制。變壓器電磁爐等等電器的運作也都是倚賴法拉第定律。

電磁波[编辑]

電磁波的波譜與性質。

含時磁場是電場源,可以生成電場;含時電場是磁場源,可以生成磁場。當振盪電場產生振盪磁場,而振盪磁場又產生振盪電場之時,這些持續不斷同相振盪的電場和磁場共同形成了電磁波,其物理性質可以用電磁波方程式作詳細描述[27]:696-700。在自由空間裏,電磁波是一種以光速傳播的橫波,電磁波的電場與磁場彼此相互垂直,並且垂直於傳播方向。在量子力學裏,電磁波的載體是光子,電磁波束是由很多光子組成。

電磁波的波譜,按照頻率從低至高,或按照波長從長至短,可以分類為無線電波微波紅外線可見光紫外線X射線伽瑪射線。電磁波的物理性質與頻率有關。頻率越低,則波長越長;頻率越高,則波長越短,所伴隨的光子也具有越大的能量。沒有任何物理理論禁止電磁波的頻率高過某最高頻率,但任何超過普朗克能量的現象需要新物理理論來做描述,雖然物理學者尚未觀察到這種現象[41][42]:49-50

在經典物理裏,電磁波被認為是由感受到作用力、正在進行加速度運動的帶電粒子所生成。將交流電源、LC振盪器變壓器天線連結成一個電路,就可以製成一個電磁波發射器,發射出電磁波[33]:890-892。量子過程也可以製成電磁波,例如,在原子裏的處於激發態的束縛電子,會躍遷至能階較低的量子態,同時發射出光子,因此形成電磁波[33]:1097-1100原子核伽瑪衰變[43]中性π介子衰變也會生成電磁波。

電化學[编辑]

化學反應來產生電力的能力,和相反地電力來驅動化學反應的能力,具有的用途廣泛。

電化學一直是電力的重要組成部分。從最初發明的伏打電堆電化學電池已經演變成為許多不同類型的電池,電鍍和電解電池。是以這種方式大批量產生,而許多便攜式設備使用可充電電池供電。

電路[编辑]

一個簡單的電路,位於左邊的電壓源 V 驅使電流 I 流動於電路,傳送電能電阻R電阻器。然後,電流回到源點,結束環繞閉合迴路一周。

在電路的閉合迴路內,為了滿足電荷守恆定律,從源點傳送出去的所有電荷都必須回到源點。電路裏的有許多種不同的電機元件,包括電阻器電容器開關變壓器電子元件等等。電子電路主動元件,大多是半導體,通常會表現出非線性行為,必須用複分析來解析。最簡單的電機元件是線性被動元件。雖然它們可能會暫時儲存能量,它們並不是能量源。對於任何刺激,它們會表現出線性響應[44]:15-16

電阻器是一種簡單的被動電機元件。顧名思義,電阻器阻礙電流的通過,以熱能的形式耗散其能量。歐姆定律是電路學的一個基本定律。這定律闡明,電阻器兩端的電壓與通過的電流成正比,其比例常數稱為電阻。甚至連導體都會有微小的電阻。金屬是導體。金屬線的電阻主要是因自由電子移動於金屬線所遭遇到的碰撞而產生。在適當的溫度值域和電流值域,大多數物質的電阻都會保持相當穩定。在這值域內,物質被稱為具有「歐姆性」。電阻的單位是歐姆 (ohm),是因格奧爾格·歐姆而命名,標記為希臘字母 \Omega 。對於 1 ampere 電流,1 ohm 的電阻會造成 1 volt 電壓[44]:30-35

電容器是另一種常見的電機元件。它能夠儲存電荷,同時儲存電能於其電場。最簡單的電容器是由兩片平行金屬板與夾在其間的絕緣質電介質所組成的。實用而言,為了要增加單位體積的表面面積,工程師會將薄金屬頁滾捲在一起。這樣,可以增加電容。電容的單位是法拉(farad),是因麥可·法拉第而命名。假若電容器因為儲存了 1 coulomb 而產生 1 volt 電壓,則其電容為 1 farad 。當連結電容器於電源時,剛開始會有電流出現,異性電荷會分別累積於兩片金屬板。但是,隨著電荷的累積,這電流會慢慢地減少,最終減為零。因此,電容器不會允許有穩定的電流;相反地,它會禁止電流的穩定流通[44]:216-220

電感器通常是一捲螺線管導體;它會因響應通過的電流而儲存能量於磁場。隨著電流的變化,螺線管內部的磁場也會變化,因電磁感應,會產生電壓於電感器的兩端。感應電壓與電流的時間變率成正比。其比例常數稱為電感。因約瑟·亨利而命名,電感的單位是亨利(henry)。假若電感器因為其通過的電流以 1 ampere/s 變化,而產生 1 volt 的電壓,則其電感是 1 henry。在某些方面,電感器與電容器的物理性質恰恰相反:電感器允許穩定的電流,抗拒隨時間流易而快速變化的電流[44]:226-229

電功率[编辑]

電路的電功率指的是電路每單位時間傳輸的電能。如同機械功,電功率是做功的速率。採用國際單位制,電功率的單位是瓦特(watt)。假若電路每秒傳輸1 joule的電能,則電功率為1 watt。

在直流電路裏,一個元件的電功率為通過此元件的電流乘以元件兩端的電壓。假若電流為1 ampere,電壓為1 volt,則電功率為1 watt[33]:694-696

在交流電路裏,電流與電壓會隨著時間而改變。一個元件的瞬時功率是此元件在某特定時刻吸收的電功率,是通過此元件的瞬時電流乘以元件兩端的瞬時電壓。由於瞬時功率也會隨著時間而改變,很難做實際測量。比較容易測量的是平均功率;這是瞬時功率經過一個交流週期的平均值,等於表觀功率與攻率因素的乘積。表觀功率是均方根電流與均方根電壓的乘積。功率因素是電流與電壓之間的相位差餘弦;假若功率因素為0,則稱這元件的負載為純電阻負載,在所有時間都會吸收電功率;假若功率因素為1,則稱這元件的負載為純無功負載,吸收的電功率經過時間平均後為0[44]:458-460

發電和使用[编辑]

發電和傳輸[编辑]

風力發電是一種很重要的綠色科技。

泰勒斯的琥珀摩擦實驗是科學史上第一個與發電有關的實驗。雖然這實驗的結果,稱為摩擦起電效應,能夠吸引輕微的物體或發出火花,但發電效率很低,不具實用功能。一直要等到十八世紀,伏打電堆被發明之後,人們才得到了一種比較可行的電源。伏打電堆和它的現代後裔──電池──能夠儲存化學能,並且在需要之時能立刻變換成電能[45]。電池的用途廣泛,能夠很理想地搭配很多種用途,是日常生活不可或缺的電源。但是,電池所儲存的能量有限,每當儲存的電能用完,就必須重新充電或丟棄。為了確保長期大量用電客戶不至缺電,必須選取持續地發電與傳輸至用戶的策略。

電能通常是由採用機械-電磁轉換模式的發電機製成。靠著燃燒化石燃料分裂核燃料過程,可以產生熱能,然後用蒸汽渦輪發動機將熱能轉換為動能,驅動這種發電機進行發電;類似地,其它種能源,例如風力水力,也可以用來發電。這種發電機的外形絲毫不像法拉第早前發明的同極發電機homopolar generator)。但是,它所根據的運作原理仍舊是法拉第定律[46]。十九世紀後期的變壓器的發明,以高電壓,低電流的方式增加電力傳輸效率;這意味著發電功能可以集中於位置較遠的中央發電場。大型的發電廠更能受益於規模經濟,所生產的電力也可以傳輸至相當遠的地方使用[47][48]

由於電力無法大量的儲存,大多數時候,電力公司electric utility)必須即時生產所有需求[47]。電力公司必須仔細估算電力需求,依照估算的結果計畫電力的生產。為了給予電力網路足夠的彈性來應付偶發狀況,像極端惡劣天氣、機器故障、燃料短缺等等,電力公司還必須預留一部分發電能力。

隨著國家的進步,經濟的發展,電力需求急速地增加。例如,在二十世紀的前三十年,美國的電力需求,每年平均至少會增長 7%[49]:18。 美國的2011年用電量比1950年多過13倍[50]。新興經濟,像印度或中國的經濟,也正在經歷這樣快速的增長率[51][52]歷史數據顯示,電力需求的成長率超過其它種能量[49]:16

由於人類的生存環境不斷惡化,地球的有限資源急速消耗,許多電力公司都開始選取可再生能源發電的策略,特別是選擇風力發電水力發電太陽能發電。雖然有關各種不同發電方法對於環境利弊的辯論仍舊繼續在進行中,尚未能成定論,一般而言,假若將電力純粹當做一種能源看待,那麼,這是一種相當乾淨的綠色能源[49]:89

用途[编辑]

愛迪生發明的電燈泡帶給人們極多便利。其運作原理是焦耳加熱──電流通過電阻時會產生熱能。

電力是一種很容易傳輸的能量形式,能夠適用於日以劇增,多不盛舉的用途。例如,於1870年代出現的電燈泡,具有極大的實用價值。由於這發明,人們不再需要使用蠟燭或煤油來照明,因而得以避免了很多可能發生的火災[53]

電燈泡所應用的焦耳加熱Joule heating)效應,也可以用來電力取暖electric heating)。對於這用途,電力取暖有三大優點:便利使用、容易控制、安全潔淨。但是,電力取暖有個很大的缺點,那就是,與燃煤取暖或燃油取暖相比,它的效率比較低[54]。關於冷凍用途方面,電是一個很實用的能源。安裝在住家和辦公室內,冷氣機的使用帶給人們很大的舒適。但是,冷氣的耗電量也很大。對於這問題,電力公司正大力宣傳提倡智慧地使用冷氣[55]

電訊科技主要是依靠電來傳達資訊。十九世紀中期,自從威廉·庫克William Cooke) 和查爾斯·惠斯通Charles Wheatstone) 展示出第一座具有商業潛力的電報機,隨著橫貫美國大陸電報系統First Transcontinental Telegraph)的建立,以及橫貫大西洋電報系統Transatlantic Telegraph Cable)的建立,從地球的這一端到地球的那一端,使用電報機制,只需要很短幾分鐘時間,人們就可以即時地獲得訊息。現今,光導纖維通訊衛星這兩個先進科技,佔有了通訊科技市場的一大部分。它們所使用的傳輸科技仍舊是建立於電磁波原理。

電動機應用電磁原理,將電能轉化成機械能的形式,來驅動各種各樣的機械。一個固定不動的電動機,像絞車winch),可以很容易地獲得能源。但是,移動的電動機,像電動車,必須隨身帶著像電池一類的能源裝備,或者用取得電能的滑動接觸,像集電弓。這要求限制了其行動範圍和工作性能。

電晶體是二十世紀最重要的發明之一[23]。電晶體是所有摩登電子電路的基本元件,最先進的積體電路在小小幾平方公分的面積可以內嵌幾十億個微小的電晶體[56]

電力也被用來推動公共交通,包括純電動公交車和火車。 [57]

電和自然世界[编辑]

生理效應[编辑]

施加電壓於人體,會造成電流的流過人體內部組織。在人體內,電壓與電流呈非線性關係,電壓越大,電流也越大[58]。隨著供給頻率的改變,電流路徑的不同,感覺閾值也不一樣。對於電路主幹的頻率,感覺閾值大約是 0.1 mA 到 1 mA 。但是在某種狀況下,甚至電流小到 1 µA 都可以被感覺得到,能使肌肉發生纖維性抽搐(electrovibration)[59]。假若電流太大,則會造成肌肉收縮、心臟纖維性顫動fibrillation)、灼傷[58]

由於導體是否通電,很難從外表判斷出來,一不小心,就很容易觸電,所以,電源是一種危險源。電擊可能會造成極劇疼痛,時常會被黑心人士用來刑求,稱為電刑。在刑法裏,電刑處死也是一種處死的方法[60]

大自然的電現象[编辑]

一隻電鰻正在尋找獵物。

電並不是純粹人為的發明,可以從大自然觀察到的電現象很多。最為人知的現象是閃電。很多熟悉的宏觀作用,像接觸摩擦化學鍵等等,都是由原子尺寸的電場作用產生的。地球核心的循環電流造成了的地磁場[61]。某些晶體,像石英,或者甚至砂糖,當感受外部壓強時,會在其表面之間產生電壓,這現象稱為壓電效應。逆反過來,當施加電場於一個壓電物質時,物質的尺寸會出現稍小改變[62]

有些生物,像鯊魚,能夠探測和響應電場的改變。這種能力稱為電覺electroreception[63] 。另外有些生物,能夠自身製造高壓電,用來攻擊對方或防衛自己。裸背魚目裏的生物,最著名的例子是電鰻,用改變了的肌肉細胞,稱為發電細胞electrocyte),所製造的高壓電,來探測或電昏其獵物[5][4]。所有動物沿著牠們的細胞膜以電壓搏動,稱為動作電位,來傳達信息。動作電位的功能包括神經系統神經元與肌肉之間的信息傳遞[64]。電擊會刺激這系統,使肌肉收縮[65]。動作電位也負責協調某些植物的功能[64]

參閱[编辑]

註釋[编辑]

  1. ^ 在這裏,移動的速度極為緩慢,這是為了要確保電荷的動能超小於電勢能的絕對值。電勢能是電勢與電荷量的乘積。

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外部連結[编辑]