电现象

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法国图鲁兹上空的闪电

电现象（electrical phenomena）是关于电的物理现象，例如人类熟知的闪电就是自然界中的一种放电现象。此外，随着电学的发展，人们还认识到了摩擦起电、静电感应、电磁感应、压电效应等各种电现象[1]。

起电现象[编辑]

主条目：静电

摩擦起电[编辑]

静电起电现象
左：与滑梯摩擦起电，头发因此飘起；右：纸屑被带静电的光碟吸附。

早在公元前五世纪，古希腊哲学家泰勒斯发现用丝绸或法兰绒摩擦琥珀后，能够吸引轻小物体的“现象”，因此希腊语的ελεκτρον（琥珀）就是英语中的“电”的词源[2]。公元一世纪，东汉的王充在《论衡》中记载“顿牟掇芥”[3]。顿牟就是琥珀，意思是当琥珀经摩擦后，即能吸引像草芥一类的轻小物体。

这一现象实际上包括两个方面：

  1. “摩擦起电”，是通过摩擦的方式使得物体带上电荷的物理现象。摩擦起电的步骤，是使用两种不同的绝缘体相互摩擦，使得它们的最外层电子得到足够的能量发生转移，摩擦起电后两绝缘体必带等量异性电。
  2. “静电吸附”，是当带静电的物体靠近微小的不带静电的物体时，微小物体表面的自由电荷发生转移，感应出与带静电物体相反的电性，而被吸引贴附于带静电物体上。利用静电吸引轻小物体的原理，可以达到吸附工业粉尘的效果。

静电感应[编辑]

主条目：静电感应

电学中的静电感应是指导体中的电荷在外电场的作用下在导体中重新分布的现象[4]，由英国科学家约翰·坎通和瑞典科学家约翰·卡尔·维尔克（英语：Johan Carl Wilcke）分别在1753年和1762年发现[5]。

静电屏蔽[编辑]

主条目：静电屏蔽

静电屏蔽现象是指对于一个接地的空腔导体，外接电场不会影响腔内的物体，腔内带电体的电场也不会影响腔外的物体。静电屏蔽的应用很广泛，例如电子仪器外的金属网罩、电缆外层包裹的金属皮等都是用于防止外部电场对内部的影响。需要注意，如果外部的电场是交变电场，则静电屏蔽的条件不再成立，另见电磁屏蔽。

放电现象[编辑]

主条目：静电放电

人体放电[编辑]

主条目：人体模型 (静电放电)

静电放电指静电的正电荷或是负电荷逐渐累积，与周围环境产生电位差，经由放电路径而产生的电荷在不同电位之间移转的现象。西元三世纪，晋朝的张华在《博物志》中记载：“今人梳头，解着衣，有随梳解结，有光者，亦有吒声”。这是指头发因摩擦起电，在放电时发出的闪光和劈啪之声[2]。

大气放电示意图
19世纪关于球状闪电的画作

大气放电[编辑]

闪电是人类熟知的放电现象，在放电过程中伴随着雷声，合称为雷电现象。在夏季较为常见，在冬季下雪时也可能发生，即雷雪，但是发生机会相当微小。特殊情况下，雷暴天气中还会出现球状闪电等现象[6]。

中高层大气放电是发生在中高层大气的特殊放电现象，与对流层闪电较为不同，属于瞬态发光事件，包括红色精灵、蓝色喷流、巨大喷流以及淘气精灵等[7]。

  • 红色精灵（Red sprites）通常成簇发生在离地面30～90公里的高空（中气层），呈红橙色，下部为卷须状，上部则有弧形枝状结构，有时其顶端还会出现淡红光晕[8]。1989年7月6日，明尼苏达大学的科学家首次拍摄到红色精灵，其后在世界各地都观察到了这种现象[9]。红色精灵被认为是很多高海拔飞行器无端故障的元凶[10]。
  • 蓝色喷流（Blue jets）通常呈细锥形，从积雨云的顶端一直延伸到离地面40～50公里的电离层[11]。蓝色喷流在1989年10月21日由一艘经过澳大利亚上空的航天飞机初次观测到。至2007年为止，学界只有不到100张关于蓝色喷流的照片。这些照片绝大多数都是在1994年阿拉斯加大学对红色精灵的一次研究中拍摄的[12]。

电晕放电[编辑]

雕塑上的避雷针
电弧放电
主条目：电晕放电

电晕放电是由于电场强度过大，导致非导电介质被击穿，而形成的放电现象。尖端放电为电晕放电的一种，当导体尖端周围的空气被导体产生的电场电离时，就会发生该物理现象[13]。1752年美国科学家本杰明·富兰克林利用尖端放电的现象，发明了避雷针[14]。

汽车静电天线的工作原理就是通过其内部的金属导线将车内静电传导到天线上，再通过空气或者地面传到大自然，达到消除车内静电的目的。

弧放电[编辑]

主条目：电弧

弧放电是由于电场过强，通常状态下的绝缘介质（例如空气）发生电击穿而持续形成等离子体，使得电流通过的现象。当通电的高电压电路出现导体与导体的分开时，也会出现电弧 。1808年汉弗里·戴维利用此一现象发明了弧光灯。 [15]

19世纪50年代，德国物理学家尤利乌斯·普吕克将一支空气含量万分之一的玻璃管两端装上两根白金丝，并在两电极之间通上高压电，观察到了辉光放电（英语：Glow discharge）现象，并且发现，辉光是在带负电的阴极附近出现的。1858年，普吕克指出富兰克林的猜测是错误的——即电荷是从阴极发射到阳极而不是相反[16]:392-394。

电传导[编辑]

主条目：电传导

导体[编辑]

电传导是指导体内，载电荷的粒子的运动，形成了电流。这运动可能是因为感受到电场的作用而产生的，也可能是因为载子分布的不均匀引发的扩散机制的结果[17]。常见的导体有金属、电解质溶液等。

1753年，意大利物理学家乔凡尼·贝卡立亚（Giovanni Beccaria）在研究物质的导电性质时，在电路里加装了盛满了水的玻璃管，并发现玻璃管的截面面积越大，电流强度越大[16]。

绝缘体[编辑]

铁路上的陶瓷绝缘体
主条目：绝缘体和介电质

在绝缘体中，由于价带电子被紧密的束缚在其原子周围，电荷无法在其内部自由流动，具有很小的电导率，因此可以用来支撑或分离各个电导体，不让电流流过。玻璃，纸或聚四氟乙烯等材料都是非常好的电绝缘体。

介电现象是当绝缘材料被施加电压后，在绝缘体内部产生正、负电荷的现象[18]。这种可被电极化的绝缘体被称为介电质。介电质的用途相当广泛，由于其电传导能力很低，又有很好的介电强度（dielectric strength），所以可以用来制造电绝缘体；另外介电质可被高度电极化，是优良的电容器材料[19]。某些介电质存在自发的电极化现象，并且能够在外加电场的作用下可以被反转，被称为铁电性[20][21]。铁电性物质在电极反转的过程中还存在介电迟滞现象[22]。

半导体[编辑]

主条目：半导体

半导体材料的导电性可受控制，其电传导能力介于绝缘体和导体之间。如热敏电阻对温度敏感，在不同的温度下表现会出不同的电阻值。第一个NTC热敏电阻是法拉第在1833年研究硫化银的半导体特性时发现的[23]。

麦士纳效应中的超导体

超导现象[编辑]

主条目：超导现象

1911年春，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯在用液氦将汞的温度降到4.15 K时，发现汞的电阻降为零，他把这种现象称为超导现象，并因此而获得诺贝尔物理学奖[24]。此外，超导体还具有完全抗磁性，称之为迈斯纳效应[25]。

2015年，物理学者发现，硫化氢在极度高压的环境下(至少150GPa，也就是约150万标准大气压)，约于温度203K （-70 °C）时会发生超导相变，是目前已知最高温度的超导体[26]。非常有趣的是，硫化氢属于传统BCS超导体，这一发现也重新开拓了传统超导体的新领域。

电磁现象[编辑]

主条目：电磁现象

1820年，汉斯·奥斯特在课堂做实验时意外发现，电流能够使磁针发生偏转，演示出电流周围会生成磁场，即电流的磁效应。1825年，英国人威廉·思特金（英语：William Sturgeon）利用这一现象，将通有电流的金属线缠绕在绝缘的棒上，发明了电磁铁。

电磁感应[编辑]

主条目：电磁感应
电磁感应现象
法拉第铁圈实验示意图：左边线圈磁通量的改变，会在右边线圈感应出电流[27]。
电磁涡流制动器的工作原理

电磁感应现象是指导体在磁场中运动，或导体处在变化的磁场中，会产生电动势的物理现象，是发电机、感应马达、变压器等许多电力设备的原理和基础。1831年麦可·法拉第通过实验发现，封闭电路中感应电动势的大小，等于穿过这一电路磁通量的变化率，被称为法拉第电磁感应定律[28][29]。

1834年德国物理学家海因里希·楞次发现由于磁通量的改变而产生的感应电流，其方向为抵抗磁通量改变的方向，被称为楞次定律[30]。楞次定律对法拉第电磁感应定律做了补充，指出电感是当通过载流回路的电流发生改变时，会出现电动势来抵抗电流的改变。术语“电感”是1886年由奥利弗·赫维赛德命名，分为自感和互感[31]。通常自感是以字母“L”标记，是为了纪念物理学家海因里希·楞次的贡献[32][33]；互感是以字母“M”标记，是其英文（Mutual Inductance）的第一个字母。

涡电流现象是由法国物理学家莱昂·傅科在1851年发现[34]，是由电磁感应效应所产生。当一个运动的磁场与金属导体相交，或是由运动的金属导体与磁场垂直交会时，会产生一个在导体内循环的电流。磁场变化越快，感应电动势就越大，涡流就越强。该原理可以应用在无损检测方面，如飞机机身与零件的表面及近表面的检测；也可以应用在电磁制动方面，如电磁涡流制动器。

霍尔效应[编辑]

主条目：霍尔效应

1879年，埃德温·赫伯特·霍尔在马里兰州约翰霍普金斯大学攻读博士时发现当固体导体放置在一个磁场内，且有电流通过时，导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压的现像，被称之为霍尔效应。

大地电流[编辑]

主条目：大地电流

大地电流是指在地下或海洋中流通电流的现象，主要是因自然因素和人类活动的双重作用而产生，这些不连续的电流以较为复杂的形式相互作用。大地电流具有极低频，在地球表面大范围地流动。

1862年9月，科学家在慕尼黑的阿尔普斯（Munich Alps）进行实验，观测到的地球电流主要是因为地磁场外层部分的强度改变产生了电磁感应，而地磁场强度的改变又归因于太阳风和磁层（英语：Magnetosphere）的相互作用或者是电离层中太阳的辐射效应。大地电流的电势差可以在地球上不同地点之间测量到，进而可以通过计算得到大地电流的大小和方向以及地球的电导。大地电流具有白昼的特性，电流矢量的方向基本是朝向太阳的。任意时刻，大地电流在地球向阳的一个半表面上流动。在白天，大地电流趋向赤道移动；在夜晚，则趋向两极移动。[35][36]

电磁干扰[编辑]

主条目：电磁干扰

电子元器件可能会受到对外界电磁波的影响，而不能正常工作，这种现象称为电磁干扰。例如，电视荧光屏上常见的“雪花”，就是电视接受到的讯号受到干扰的表现。电子设备为了不干扰其它设备，也为了不受其它设备的影响，需要有良好的电磁兼容性。

与机械能作用[编辑]

库伦定律[编辑]

1767年，约瑟夫·普利斯特里发现，在带电金属容器的内部，电作用力为零，因而猜测带电物体作用于彼此之间的吸引力与万有引力都遵守相同的规律。1785年，法国物理学家查尔斯·库仑用扭秤（torsion balance）做实验证实了普利斯特里的猜测，即：两个带电物体之间的作用力与距离平方成反比，与电量乘积成正比，作用力的方向在它们的连线上，而且同号电荷相斥，异号电荷相吸的现象，被称为库仑定律。

改变压电材料的形状会产生电压（示意图）

压电效应[编辑]

主条目：压电效应

压电效应是电介质材料中一种机械能与电能互换的现象，由皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟于1880年发现。1881年，他们通过实验验证了逆压电效应，并得出了正逆压电常数[37][38]。

压阻效应[编辑]

主条目：压阻效应

压阻效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化。不同于压电效应，压阻效应只产生阻抗变化，并不会产生电荷。1856年，凯尔文(Lord Kelvin)第一次发现金属的阻抗在施加机械性负荷时会产生改变。1954年，Smith 第一次在硅及锗中发现高度的压阻效应。

别费尔德-布朗效应[编辑]

主条目：别费尔德-布朗效应

别费尔德-布朗效应是指，当一对有特定几何结构的电极相对放置，浸入绝缘介质后，再加上合适的电压，一种试图移动装置的力就会产生，是由美国年轻物理学家布朗（Thomas Townsend Brown）在1921年的实验中发现。有多种理论曾试图解释该效应，但都无法得到公认[39]，直到《流言终结者》第68期刊文证明这种效应实际上是“空气被高压金属丝电离，然后被铝箔吸引下降”所产生的空气推力，而并非改变引力数值。这种装置在真空中无法产生抵消引力的作用力，因为没有空气作为动力媒介。

电离现象[编辑]

主条目：等离子体

等离子体的概念最早由美国著名的科学家Langmuir在1920年提出。通俗的说，等离子体就是电离的气体。比较严格的定义是：等离子体是由电子、阳离子和中性粒子组成的整体上呈电中性的物质集合[40]。

热电效应[编辑]

主条目：热电效应

热电效应是一个由温差产生电压的直接转换，且反之亦然。简单的放置一个热电装置，当他们的两端有温差时会产生一个电压，而当一个电压施加于其上，他也会产生一个温差。一般来说，热电效应包括塞贝克效应、帕尔帖效应与汤姆孙效应三个分别各自定义过的效应。

此外，还有一个电现象叫焦耳加热，是指当一个电压通过一个阻抗物质上，即会产生热。帕尔帖-塞贝克效应与汤姆孙效应是可逆的，但是焦耳加热不可逆。

光电现象[编辑]

光电效应[编辑]

主条目：光电效应

1887年，德国物理学者海因里希·赫兹发现，当紫外线照射到金属电极上时，会产生放电现象，被称为光电效应[41]。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦给出了光电效应实验数据的理论解释，推动了量子力学的诞生，因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖[42]。要发生光电效应，光的频率必须超过金属的特征频率；而从光电效应中发射出来的电子称为“光电子”。

内光电效应是光电效应的一种，主要由于光量子作用，引发物质电化学性质变化。内光电效应又可分为光电导效应和光伏效应[43]:1060-1063[44]:1240-1246。其中光电导效应是当入射光子射入到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生电导增大的现象。而光生伏打效应是指当一定波长的光照射非均匀半导体（如PN结），在自建场的作用下，半导体内部产生光电压的现象，是由法国物理学家亚历山大·爱德蒙·贝克勒尔（Alexandre Edmond Becquerel）于1839年发现的，[45][46]。

电致发光[编辑]

主条目：电致发光

电致发光是指电流通过物质时或物质处于强电场下发光的现象。会产生电致发光的材料有掺杂了铜和银的硫化锌、蓝色钻石（含硼）、砷化镓等，已有的应用为电致发光显示器（ELD）。发光二极管（LED）是一种利用电致发光效应发光的半导体电子元件，具有效率高、寿命长、不易破损、反应速度快、可靠性高等传统光源不及的优点。

与生物体作用[编辑]

触电[编辑]

主条目：触电
腿部表面红色条状痕是电流流经的痕迹

当较大的电流经过人体时，会感受到疼痛甚至受到伤害，称之为触电。广义上讲，被雷电击中（遭雷击）也属于触电。触电的损害主要在于加热身体组织以及干扰神经控制（尤其是对心脏的控制）[47]。

根据电流强度不同，触电产生的感觉或伤害等级也不同：对5mA 的电流，仅有电击感觉，一般没有伤害；对10mA 的电流，肌肉会发生纤维性抽搐， 可能无法自行松脱电线；对100mA 的电流，接触几秒，便足以致命；对1A 的电流，身体组织因过热而严重烧伤。

此外，触电产生的伤害还与接触时间的长短有关系。例如静电放电造成的触电，虽然有高电压和大电流，但由于接触时间短，一般只会造成短暂的刺痛感，不一定会对人造成伤害。

生物电[编辑]

有些生物（像鲨鱼）能够探测和响应电场的改变，这种能力称为电觉（electroreception）[48]。还有些生物（如电鳗）能够自身制造高压电，用来攻击对方或防卫自己[49][50]。

1791年，路易吉·伽伐尼发现，电流会使青蛙肌肉会颤动，因此创建了生物电（英语：bioelectricity）学术领域。现在人们已经知道，所有动物沿着它们的细胞膜以电压搏动，称为动作电位，来传达信息。动作电位的功能包括神经系统的神经元与肌肉之间的信息传递[51]。电击会刺激这系统，使肌肉收缩[52]。此外，动作电位也负责协调某些植物的功能[51]。

参见[编辑]

参考文献[编辑]

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