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自然界的闪电是电的一种现象。
集成电路是电的一种应用。

是静止或移动的电荷(带电粒子)所产生的物理现象,是自然界四种基本相互作用之一[1]。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现象[2]。很久以前,就有许多术士就对此进行过研究,但结果乏善可陈。

从18世纪开始,电学取得了重要的发展和突破,如:电荷守恒定律(1752)、库仑定律(1785)、伏打电池(1800)、安培定律(1826)、欧姆定律(1827)、电磁感应(1831)、基尔霍夫电路定律(1845)、戴维南定理(1883)、无线电波(1888)、电子的发现(1897)等。19世纪末以来,电机工程学的快速发展带给了工业和社会巨大的改变,真空三极管的发明推动电子时代急速向前推进。二十世纪中叶,半导体科技的崛起,出现了晶体管集成电路

电作为能源的一种供给方式,有许多优点。这意味着电的用途几乎是无可限量。例如,交通取暖照明电讯计算等等,都必须以电为主要能源。家用电器改变了人们的生活方式。进入二十一世纪,现代工业社会的骨干仍是电能。[3]但是,电在给人们带来方便的同时,也存在着触电危险,所以一定掌握安全常识、遵循相关法规,安全用电[4]

历史

古代发现

泰勒斯是人们所知最早研究电现象的科学家。

早在对于电有任何具体认知之前,人们就已经知道发电鱼英语electric fishelectric fish)会发射电击。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,根据纪录,希腊罗马、后来的阿拉伯,在这些地方的自然学者医生等等,对于电鲶地中海电鳐所散发出的强烈电击仍旧感到极为困惑。[5]。古代罗马医生斯克力邦尼·拉格斯(Scribonius Largus)在著作《医学精选》(Compositiones Medicae)里建议,患有像痛风头疼一类病痛的病人去触摸电鳐,或许强劲的电击会治愈他们的疾病[6]:182-185[7]:6

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找出电的其它来源。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[8]:171

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,希腊的哲学家泰勒斯做了一系列关于静电的观察,从这些观察中,他推论摩擦会使琥珀变得磁性化。这与像磁铁矿一类矿石的性质大不相同;磁铁矿天然地具有磁性[9]:50。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。

吉尔伯特制成的静电验电器是一种可以探测静电电荷的验电器。当带电物体接近金属指针的尖端时,因为静电感应,异性电荷会移动至指针的尖端,指针与带电物体会互相吸引,从而使得指针转向带电物体。

几千年来,电只不过是学者们好奇的智慧玩意儿,直到1600年,由于威廉·吉尔伯特的严谨治学态度,才开始对于电与磁的现象出现系统性研究。吉尔伯特是英国女王伊丽莎白一世的皇家医生,他对于电和磁特别有兴趣,撰写了第一本阐述电和磁的科学著作《论磁石》。这是一本具有现代科学精神的书籍,着重于从实验结果论述。吉尔伯特指出,琥珀不是唯一可以经过摩擦产生静电的物质,钻石蓝宝石玻璃等等,也都可以演示出同样的电学性质,在这里,他成功地击破了琥珀的吸引力是其内秉性质这持续了2000年的错误观念。吉尔伯特制成的静电验电器可以敏锐的探测静电电荷。在之后的一个世纪,这是最优良的探测静电电荷的仪器[10]:7-11。先前,意大利数学家和医生吉罗拉莫·卡尔达诺列出一些电现象与磁现象的不同之处。从卡尔达诺的结果,吉尔伯特得到很多启发,他提出更多分歧之处:带电物质会吸引所有其它物质,而磁石只会吸引铁器;琥珀需要磨擦才能产生电性,而磁石不需要任何动作;磁石会将物体按照某定向排列,而带电物质则只会吸引其它物质。[11]:29-30[10]:11-12。吉尔伯特创建了新拉丁术语“electrica”(类似琥珀,从“ήλεκτρον”,“elektron”,希腊文的“琥珀”),意思为像琥珀的吸引方式一般的那些物质[12]:302[13]。由于他在电学的众多贡献,吉尔伯特被后人尊称为“电学之父”[8]:172。后来,从“electricus”又衍生了英文字“electric”和“electricity”,这两个英文字最先出现于托马斯·布朗的1646年著作《世俗谬论》(Pseudodoxia Epidemica,英文书名《Vulgar Errors》)[14]。之后,科学家奥托·冯·格里克罗伯特·波义耳、史蒂芬·葛雷(Stephen Gray) 、查理·杜费(Charles du Fay) 等等,都做了更进一步的研究。

十八世纪

生于十八世纪初,富兰克林对于电的研究贡献良多。

1752年6月,自学有成的本杰明·富兰克林做了一个古今闻名的风筝实验;他与儿子在雷雨中放风筝,将空中的闪电吸引过来,在风筝线另一端捆绑的一只金属钥匙与富兰克林的手之间,产生一系列的电花,他同时感受到麻电的滋味,这证实了闪电是电的一种现象[15]:92-94[16]。富兰克林又做实验发现了电荷守恒定律,即在任何孤立系统里,总电量不变[11]:44

1767年,约瑟夫·普利斯特里做实验发现,在带电金属容器的内部,电作用力为零。从这实验结果,他准确猜测,带电物体作用于彼此之间的吸引力与万有引力都遵守同样的定律。1785年,查尔斯·库仑扭秤英语Torsion_spring#Torsion_balance(torsion balance)做实验证实了普利斯特里的猜测,两个带电物体施加于彼此之间的作用力与距离成平方反比。他奠定了静电的基本定律,即库仑定律。于此,电的研究已提升成为一种精密科学[11]:50-51, 56

1791年,路易吉·伽伐尼发现,假设将青蛙与静电发电机英语electrostatic generator连结成闭合电路,然后开启静电发电机,则青蛙肌肉会颤动。这实验演示出,神经细胞倚赖电的媒介将信号传达到肌肉。他因此创建了生物电英语bioelectricity学术领域。1800年,亚历山大·伏打伯爵将铜片和锌片浸于食盐水中,并接上导线,制成了第一个电池伏打电池,堪称是现代电池的元祖。伏打电池给予科学家一种比静电发电机更稳定的电源,能够连续不断的供给电流[17]:331-333[11]:67-75

十九世纪

詹姆斯·麦克斯韦

1820年,汉斯·奥斯特在课堂做实验时意外发现,电流能够偏转指南针的方向,演示出电流周围会生成磁场,即电流的磁效应。稍后,安德烈-玛丽·安培对于这现象做定量描述,给出安培力定律安培定律[18]。他们两个人的研究成果成功地将电与磁现象连结在一起,共称为“电磁现象”。应用这理论,可以制作出来磁性超强劲于天然磁石的电磁铁。1827年,格奥尔格·欧姆发展出一套精致的数学理论来分析电路[17]:331-333

1831年,麦可·法拉第约瑟·亨利分别独立地发现了电磁感应──磁场的变化可以生成电场。1865年,詹姆斯·麦克斯韦将电磁学加以整合,提出麦克斯韦方程组,并且推导出电磁波方程。由于他计算出来的电磁波速度与测量到的光速相等,他大胆预测光波就是电磁波。1887年,海因里希·赫兹成功制成并接收到麦克斯韦所描述的电磁波。麦克斯韦将电学、磁学与光学统合成一种理论[17]:333-335

1859年,德国物理学家尤利乌斯·普吕克将真空管两端的电极之间通上高压电,制成阴极射线。物理学者发现,阴极射线是以直线传播,但其传播方向会被磁场偏转。阴极射线具有可测量的动量与能量。1897年,约瑟夫·汤姆孙做实验证实,阴极射线是由带负电的粒子组成,称为电子,因此他发现了电子[17]:335

十九世纪早期见证了电磁学快速蓬勃,如火如荼的演进。到了后期,应用电磁学的先进知识,电机工程学开始了一段突破性的发展。例如,亚历山大·贝尔发明了电话汤玛斯·爱迪生设计出优良的白炽灯直流电力系统尼古拉·特斯拉发展完成感应电动机和发现交流电卡尔·布劳恩改良成功装置在显示器电视机里的阴极射线管。由于这些与其他众多发明家所做出的贡献,电已经成为现代生活的必需工具,更是第二次工业革命的主要动力[19]:1, 4

二十世纪

从左至右:巴丁、肖克利和布喇顿。

德国物理学者海因里希·赫兹于1887年发现,照射紫外线电极可以帮助产生更多电花[20][21]。这就是光电效应所产生的现象。包括约瑟夫·汤姆孙菲利普·莱纳德在内的物理学者们,对于光电效应的做了很多理论研究与实验研究。1905年,阿尔伯特·爱因斯坦发表论文对于光电效应的众多实验数据给出解释。爱因斯坦主张,光束是由一群离散的量子(现称为光子)组成,而不是连续性波动。假若光子的频率大于某极限频率,则这光子拥有足够能量来使得金属表面的电子逃逸,造成光电效应。这个重要发现展开了量子物理的大门[22]

1901年,古列尔莫·马可尼从英国发射无线电讯号,越过大西洋,传送至加拿大[23]。5年后,“无线电之父”李·德富雷斯特研究出真空三极管。这重大发明推动电子时代急速向前推进,使得无线电与长途电话科技不再是遥不可及的梦想[24]。到了1940、1950年代,固态原件开始出现在越来越多个场合,这标记着真空管科技的快速没落与半导体科技的崛起。1947年,贝尔实验室威廉·肖克利约翰·巴丁沃尔特·布喇顿工作团队发明了晶体管。这是二十世纪最重要的发明之一,凡是电子器具大多都须要用到晶体管[25]杰克·基尔比于1958年和罗伯特·诺伊斯于1959年分别独立发明集成电路。现今,大量晶体管、二极管、电阻器、电容器等等电子原件都可以被装配在单独的集成电路里[26]

电学基本概念

静电学

在一个金箔验电器里的电荷,使两片金箔叶子明显地互相排斥。

静电学研究“静止电荷”的特性及规律。电荷是某些亚原子粒子带电粒子)的内秉性质,分为正电荷负电荷两种。电荷量是电荷的数量,单位是库仑。正电荷的电荷量大于零,负电荷的电荷量小于零。根据常规,电子带有负电荷,电荷量大约为 −1.6022×10−19库仑;质子带有正电荷,电荷量为 +1.6022×10−19库仑。对应于每一个带电粒子,其反粒子拥有同数量的异电性电荷[27]电荷守恒定律表明,电荷量是个守恒量;在一个孤立系统内,不论发生什么变化,总电荷量都会保持不变。[28]:2-5

宏观而言,带有电荷的物体称为“带电物体”。假若两个物体都带有正电荷或都带有负电荷,则称这两个物体“同电性”,否则称为“异电性”。同电性相斥,异电性相吸。做一个简单实验,先将毛布摩擦玻璃棒,使玻璃棒充电(带有电荷),然后再将玻璃棒分别接触两个用线绳悬挂在半空中的轻球 A、B ,这时可以观察到,这两个轻球 A与B 会相互排斥,因为它们都带有同电性电荷。又将另一块毛布摩擦琥珀棒,使琥珀棒充电,然后再将琥珀棒分别接触另外两个用线绳悬挂在半空中的轻球 C、D ,这时可以观察到,轻球 C与D 也会相互排斥,因为它们也都带有同电性电荷。但是,轻球 A与C 会相互吸引,因为它们分别带有异电性电荷。假若一个带有电荷的物体吸收到同样数量的异电性电荷,则此物体会变为电中性,不会被任何带有电荷的物体吸引或排斥。[29]:457

这些轻球所感受到的排斥力或吸引力是静电力。静电力出自于电荷:两个带电物体会相互施加静电力于对方。静电力只会作用于带电物体。库仑定律对于静电力作定量描述:静电力分别与两个带电物体的电荷量成正比,与两个带电物体之间的距离成平方反比。[28]:35[30]电荷可以用很多种方法来测量。早期,科学家用金箔验电器来测量电荷。现在,在课堂上示范,常会使用这方法。但是,大多数实际工作状况会使用静电计英语electrometerelectrometer)来测量电荷[28]:2-5

两个同性电荷的电场线和等势线。
在平面导体上方的正电荷所散发出来的电场线

电荷会在周围空间生成电场。电场被定义为单位电荷感受到的电场力[29]:469-470,是电势的负梯度[28]:60。电场可以用一组虚拟的的曲线来想像,在任意位置,曲线的方向跟电场的方向相同。这组曲线被称为电场线[29]:479。电场与离开源电荷的距离成平方反比,与源电荷成正比[31]:60。在一个带电体的四周,可以绘出一组曲线,其中每一条曲线都是由电势相等的点所构成的,称为等势线。等势线与电场线以直角相交。等势线平行于导体的表面。因为电场作用,正电荷会从电势高的位置移动到电势低的位置[32]

一个空心导体所带有的电荷全都分布于外表面。在导体的内部,电场等于零。这是法拉第笼的运作原理。导体壳会将内部孤立起来,不使受到外部的电场影响。假设在导体壳所包围的空腔内部,嵌入了一些电荷,则导体壳内表面会被感应出电荷;导体壳部分的电场仍旧是零[33]:612-614。任何介质都有一个能够承受的最大极限电场。超过这极限,就会发生电击穿,产生电弧[34]。在大自然里,最常见到的电击穿是闪电[35][36]。导体对于其附近的电场影响极大。特别是,在尖锐导体的附近,电场会变得非常强烈。避雷针的运作原理就是应用这简单机制[37]:155

电势的正式定义为,单位电荷从无穷远,经过任意路径,缓慢地移动到该位置,所做的机械功[注 1]。电势又称为电势,是一个标量,其数值只具有相对意义,不具绝对意义,因此,电势的数值取决于电势为零的位置。在电势的正式定义里,电势为零的位置是无穷远。电势的度量单位是伏特(volt)。假设,将1库仑的电荷(单位电荷)从无穷远缓慢地移动到某位置,需要用到1焦耳的机械功,则这位置的电势为1伏特。这样定义电势,虽然很正式,实际而言比较不容易使用。电压是比较容易使用的概念;电压定义为单位电荷从某初始位置缓慢地移动到某终止位置所需的能量。电场有一个特性,就是保守性:电荷从初始位置移动到终止位置,所需的能量与移动的路径无关。因此,电压是个唯一值[29]:494-498

为了实用目的,科学家时常会为电势设定一个共同参考点。这样,可以方便地计算和比较其它位置的电势。对于物理理论研究,这参考点可以设定为无穷远。对于电机工程学,比较有用的参考点是地球,即假定在地球表面的每一个地方,电势都相同。这地球参考点称为接地。地球被假定为正电荷或负电荷的无穷源,因此,地球呈电中性,不能够被充电[38]

电磁学

圆偏振电磁波辐射中,电场矢量随时间的变化示意动画

电与密切相关。电流会在其周围生成磁场,这一现象可以用静磁学基本定律安培定律来表述。这是由安培于1826年提出的[31]:225,后来成为脑磁图描记术英语Magnetoencephalography的原理,使用超敏锐的超导量子干涉仪阵列来测量脑部的电流脉波所生成的磁场[33]:768-769。处在变化磁通量中的导体,会产生电动势,这现象称为电磁感应法拉第定律(1831年)描述了感应电动势的大小[39],而楞次定律(1834年)则指出了电动势或感应电流的方向[33]:793-795。电磁感应是发电机变压器电磁炉感应加热)等电器的工作原理。

经典电磁学麦克斯韦方程组洛伦兹力为基础[40],主要研究电荷电流电磁场及其彼此的电磁相互作用[41]电磁力洛伦兹力)是大自然四种基本力之一[42]光子则是传递电磁力的媒介[43]:13。随时间变化的电磁场会以的形式离开源点向外传播,形成电磁波[44][11]:283,其物理性质可以用电磁波方程作详细描述[29]:696-700。在自由空间里,电磁波是一种以光速传播的横波,电磁波的电场与磁场彼此相互垂直,并且垂直于传播方向[33]:890-892

量子力学里,电磁波的载体是光子,电磁波束是由很多光子组成[45]量子电动力学描述了物质间的相互作用[46]电磁波的波谱指电磁波的特征频率分布,频率越高,光子能量越大,但普遍认为不会超过普朗克能量[47][48]:49-50

电化学

电化学主要是研究在溶液与电极之间的电子转移[49]:ix。倚赖电子转移的机制,化学反应可以用来产生电,相反地,电也可以用来驱动化学反应。这两种功能具有广泛用途[50]:486-487

电化学在电的研发中扮演重要脚色。从最初发明的伏打电堆电化电池已经演变成为许多不同类型的电池电镀电解池是以这种方式大批量产,许多便携式设备都会使用可充电电池供电[50]:486-487

电压

衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量,也称做电势差,电压的国际单位是伏特(Voltage)。

电流

由于电场太强,造成电崩溃,因而产生的电弧显示出电流从一根钉子流动到另外一根钉子的路径。

电荷的移动,称为电流电流强度通常以安培(Ampere)为度量单位。任何移动中的带电粒子都可以形成电流;最常见的是电子。 

按照历史常规,电流的方向与正电荷的流动方向相同,即从电路电势较高位置(高电压)流动到电势较低位置(低电压);按照这流向定义的电流称为常规电流。在电路里,带负电荷的电子的运动方向,与电流的方向相反。但是,依状况不同,带电粒子往不同方向的流动,或者同时往不同方向的流动,都可以形成实际电流[51]。为了要给予科学家一个交通意见的共同语言,通常采用“正至负常规”。

电传导指的是电流从物质的某位置移动到另一个位置。电传导的行为随着带电粒子和物质的不同而变化。例如,金属传导是电子移动于金属类的导体电解传导是离子移动于电解液。虽然带电粒子本身移动的很慢,有时候平均漂移速度小于1毫米/秒[28]:17,由于作用于粒子的电场的传播速度接近于光速,电子信号仍旧能够快速传播[52]

在电机工程或家用电器领域里,电流又分为直流(DC)及交流(AC)。这些术语意指电流怎样随着时间变化。直流是一种单向的流动,从电路的电势较高部分流到电势较低部分。电池生成的电流是直流。大多数电子元件的运作都需要直流。交流是多次反复流动方向的电流。电流的主要形式为正弦波。随着时间流易而改变,交流会在导体内来来回回的振荡,但内中涉及的电荷并没有任何净位移的动作。经过时间平均,交流的电流是零。与直流在稳态状况时不同,交流会被电路内的电容器电感器等等所影响。[53]:11, 206-207, 223-225

电阻

电阻是一个物体对于电流通过的阻碍能力,电阻的单位为欧姆(Ω,Ohm)。

电功率

电路的电功率指的是电路每单位时间传输的电能。如同机械功,电功率是做功的速率。采用国际单位制,电功率的单位是瓦特(Watt)。假若电路每秒传输1焦耳的电能,则电功率为1瓦特。

在直流电路里,一个元件的电功率为通过此元件的电流乘以元件两端的电压。假若电流为1安培,电压为1伏特,则电功率为1瓦特[33]:694-696

在交流电路里,电流与电压会随着时间而改变。一个元件的瞬时功率是此元件在某特定时刻吸收的电功率,是通过此元件的瞬时电流乘以元件两端的瞬时电压。由于瞬时功率也会随着时间而改变,很难做实际测量。比较容易测量的是平均功率;这是瞬时功率经过一个交流周期的平均值,等于表观功率与功率因素的乘积。表观功率是均方根电流与均方根电压的乘积。功率因素是电流与电压之间的相位差余弦;假若功率因素为1,则称这元件的负载为纯电阻负载,在所有时间都会吸收电功率;假若功率因素为0,则称这元件的负载为纯无功负载,吸收的电功率经过时间平均后为0[54]:458-460

电力

电子

电路

一个简单的电路,位于左边的电压源 驱使电流 流动于电路,传送电能电阻电阻器。然后,电流回到源点,结束环绕闭合回路一周。

在电路的闭合回路内,为了满足电荷守恒定律,从源点传送出去的所有电荷都必须回到源点。电路里的有许多种不同的电机元件,包括电阻器电容器开关变压器电子元件等等。电子电路主动元件,大多是半导体,通常会表现出非线性行为,必须用复分析来解析。最简单的电机元件是线性被动元件。虽然它们可能会暂时储存能量,它们并不是能量源。对于任何刺激,它们会表现出线性响应[54]:15-16

电阻器是一种简单的被动电机元件。顾名思义,电阻器阻碍电流的通过,以热能的形式耗散其能量。欧姆定律是电路学的一个基本定律。这定律阐明,电阻器两端的电压与通过的电流成正比,其比例常数称为电阻。甚至连导体都会有微小的电阻。金属是导体。金属线的电阻主要是因自由电子移动于金属线所遭遇到的碰撞而产生。在适当的温度值域和电流值域,大多数物质的电阻都会保持相当稳定。在这值域内,物质被称为具有“欧姆性”。电阻的单位是欧姆(ohm),是因格奥尔格·欧姆而命名,标记为希腊字母 。对于1安培电流,1欧姆的电阻会造成1伏特的电压[54]:30-35

电容器是另一种常见的电机元件。它能够储存电荷,同时储存电能于其电场。最简单的电容器是由两片平行金属板与夹在其间的绝缘质电介质所组成的。实用而言,为了要增加单位体积的表面面积,工程师会将薄金属页滚卷在一起。这样,可以增加电容。电容的单位是法拉(Farad),是因麦可·法拉第而命名。假若电容器因为储存了1库仑的电荷而产生1伏特的电压,则其电容为1法拉 。当连结电容器于电源时,刚开始会有电流出现,异性电荷会分别累积于两片金属板。但是,随着电荷的累积,这电流会慢慢地减少,最终减为零。因此,电容器不会允许有稳定的电流;相反地,它会禁止电流的稳定流通[54]:216-220

电感器通常是一卷螺线管导体;它会因响应通过的电流而储存能量于磁场。随着电流的变化,螺线管内部的磁场也会变化,因电磁感应,会产生电压于电感器的两端。感应电压与电流的时间变率成正比。其比例常数称为电感。因约瑟·亨利而命名,电感的单位是亨利(Henry)。假若电感器因为其通过的电流以1A/s变化,而产生1伏特电压,则其电感是1亨利。在某些方面,电感器与电容器的物理性质恰恰相反:电感器允许稳定的电流,抗拒随时间流易而快速变化的电流[54]:226-229

电能

用途

电能被广泛应用在动力、照明冶金化学纺织通信广播等各个领域,是科学技术发展、国民经济飞跃的主要动力。

  • 强电一般指交流电电压在24V以上。其主要用途有:
    • 电能转化为光能:照明灯具[55]、电视机
    • 电能转化为热能电热):利用焦耳加热Joule heating)效应的电热水器、取暖器[56]
    • 电能转化为动能电动机应用电磁原理,将电能转化成机械能的形式,来驱动各种各样的机械。一个固定不动的电动机,像绞车(winch),可以很容易地获得能源。但是,移动的电动机,像电动车,必须随身带着像电池一类的能源装备,或者用取得电能的滑动接触,像集电弓。这要求限制了其行动范围和工作性能。空调的冷冻循环是使用电动马达推动一个压缩机[57]。电力也被用来推动公共交通,包括纯电动公交车和火车[58]
    • 电能转化为声波:音响设备
  • 弱电一般指直流电压在24V以内。多使用于音频线路、视频线路、网络线路、电话线路中。
    • 通信工程:电讯科技主要是依靠电来传达信息。十九世纪中期,自从威廉·库克(William Cooke) 和查尔斯·惠斯通Charles Wheatstone) 展示出第一座具有商业潜力的电报机,随着横贯美国大陆电报系统(First Transcontinental Telegraph)的建立,以及横贯大西洋电报系统(Transatlantic Telegraph Cable)的建立,从地球的这一端到地球的那一端,使用电报机制,只需要很短几分钟时间,人们就可以即时地获得讯息。现今,光导纤维通讯卫星这两个先进科技,占有了通讯科技市场的一大部分。它们所使用的传输科技仍旧是建立于电磁波原理。
    • 电子计算机晶体管是二十世纪最重要的发明之一[25]。晶体管是所有摩登电子电路的基本元件,最先进的集成电路在小小几平方公分的面积可以内嵌几十亿个微小的晶体管[59]

发电

风力发电是一种很重要的绿色科技。

泰勒斯的琥珀摩擦实验是科学史上第一个与发电有关的实验。虽然这实验的结果,称为摩擦起电效应,能够吸引轻微的物体或发出火花,但发电效率很低,不具实用功能。一直要等到十八世纪,伏打电堆被发明之后,人们才得到了一种比较可行的电源。伏打电堆和它的现代后裔——

电能通常是由采用机械-电磁转换模式的发电机制成。靠着燃烧化石燃料分裂核燃料过程,可以产生热能,然后用蒸汽涡轮发动机将热能转换为动能,驱动这种发电机进行发电;类似地,其它种能源,例如风力水力,也可以用来发电。这种发电机的外形丝毫不像法拉第早前发明的同极发电机(homopolar generator)。但是,它所根据的运作原理仍旧是法拉第定律[60]。十九世纪后期的变压器的发明,以高电压,低电流的方式增加电力传输效率;这意味着发电功能可以集中于位置较远的中央发电场。大型的发电厂更能受益于规模经济,所生产的电力也可以传输至相当远的地方使用[61][62]

由于电力无法大量的储存,大多数时候,电力公司(electric utility)必须即时生产所有需求[61]。电力公司必须仔细估算电力需求,依照估算的结果计划电力的生产。为了给予电力网络足够的弹性来应付偶发状况,像极端恶劣天气、机器故障、燃料短缺等等,电力公司还必须预留一部分发电能力。

随着国家的进步,经济的发展,电力需求急速地增加。例如,在二十世纪的前三十年,美国的电力需求,每年平均至少会增长 7%[63]:18。 美国的2011年用电量比1950年多过13倍[64]。新兴经济,像印度或中国的经济,也正在经历这样快速的增长率[65][66]历史数据显示,电力需求的成长率超过其它种能量[63]:16

由于人类的生存环境不断恶化,地球的有限资源急速消耗,许多电力公司都开始选取可再生能源发电的策略,特别是选择风力发电水力发电太阳能发电。虽然有关各种不同发电方法对于环境利弊的辩论仍旧继续在进行中,尚未能成定论,一般而言,假若将电力纯粹当做一种能源看待,那么,这是一种相当干净的绿色能源[63]:89

输电

瑞典的高压电缆塔

1882年,第一次高压输电出现,当时采用的电压为直流1500V -2000V,输送的功率约1.5kW,是世界上第一个电力系统[67]。现在常见的交流输电方式为:将发电机生产出来的电能(电压为10kv左右),经升压变压器变成220kv或500kv后,通过超高压输电线输送到城市的供电网上,再经多级降压变压器最终变为220v,供我们使用。需要进行远距离输电时,人们也会采用新型的高压直流输电方式进行,就是在原有的交流输电网中增加了整流器(把交流电变为直流电)和逆变器(把直流电变为交流电)。采用超高压(500kv等)输电的目的是要减少线损,即电能在传输线上以热能等形式损失掉的能量。据估计,中国输配电系统的网络损耗高达8.5%[68]。更先进的特高压电网是指1000千伏的交流或者±800千伏的直流电网,可以长距离、大容量、低损耗输送电力[69]

储电

电池能够储存化学能,并且在需要之时能立刻变换成电能[70]。电池的用途广泛,能够很理想地搭配很多种用途,是日常生活不可或缺的电源。但是,电池所储存的能量有限,每当储存的电能用完,就必须重新充电或丢弃。为了确保长期大量用电客户不至缺电,必须选取持续地发电与传输至用户的策略。

电现象

生理效应

施加电压于人体,会造成电流的流过人体内部组织。在人体内,电压与电流呈非线性关系,电压越大,电流也越大[71]。随着供给频率的改变,电流路径的不同,感觉阈值也不一样。对于电路主干的频率,感觉阈值大约是0.1mA到1mA。但是在某种状况下,甚至电流小到1µA都可以被感觉得到,能使肌肉发生纤维性抽搐(electrovibration)[72]。假若电流太大,则会造成肌肉收缩、心脏纤维性颤动(fibrillation)或灼伤[71]

由于导体是否通电,很难从外表判断出来,一不小心,就很容易触电,所以,电源是一种危险源。电击可能会造成极剧烈疼痛,时常会被黑心人士用来刑求,称为电刑。在刑法里,电刑也是一种处死的方法[73]

大自然的电现象

一只电鳗正在寻找猎物。

电并不是纯粹人为的发明,可以从大自然观察到的电现象很多。最为人知的现象是闪电。很多熟悉的宏观作用,像接触摩擦化学键等等,都是由原子尺寸的电场作用产生的。地球核心的循环电流造成了的地磁场[74]。某些晶体,像石英,或者甚至砂糖,当感受外部压强时,会在其表面之间产生电压,这现象称为压电效应。逆反过来,当施加电场于一个压电物质时,物质的尺寸会出现稍小改变[75]

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[76] 。另外有些生物,能够自身制造高压电,用来攻击对方或防卫自己。裸背鱼目里的生物,最著名的例子是电鳗,用改变了的肌肉细胞,称为发电细胞(electrocyte),所制造的高压电,来探测或电昏其猎物[7][6]。所有动物沿着它们的细胞膜以电压搏动,称为动作电势,来传达信息。动作电势的功能包括神经系统神经元与肌肉之间的信息传递[77]。电击会刺激这系统,使肌肉收缩[78]。动作电势也负责协调某些植物的功能[77]

参见

注释

  1. ^ 在这里,移动的速度极为缓慢,这是为了要确保电荷的动能超小于电势能的绝对值。电势能是电势与电荷量的乘积。

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外部链接


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