電(自然現象之一)

電是一種自然現象，指電荷運動所帶來的現象。自然界的閃電就是電的一種現象。電是像電子和質子這樣的亞原子粒子之間產生的排斥力和吸引力的一種屬性。它是自然界四種基本相互作用之一。電子運動現象有兩種：我們把缺少電子的原子說為帶正電荷，有多餘電子的原子說為帶負電荷。

電是個一般術語，是靜止或移動的電荷所產生的物理現象。在大自然里，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。

基本介紹

• 中文名：電
• 外文名：Electricity
• 傳播速度：299792458 m/s
• 性質：一種自然現象
• 拼音：diàn

基本概念

用來稱呼許多種不同的自然現象，一般只需使用“電”這單字就已足以勝任。但是，用於科學領域，這術語的意思顯得相當模糊。必須使用更明確的術語來區分各種各樣不同的概念。

電荷：某些亞原子粒子的內涵性質。這性質決定了它們彼此之間的電磁作用。帶電荷的物質會被外電磁場影響，同時，也會產生電磁場。

電流：帶電粒子的定向移動，通常以安培為度量單位。

電場：由電荷產生的一種影響。附近的其它電荷會因這影響而感受到電場力。

電勢：單位電荷在靜電場的某一位置所擁有的電勢能，通常以伏特為度量單位。

電磁作用：電磁場與靜止或運動中的電荷之間的一種基本相互作用。

（一）電荷的電場
失去電子或得到電子的物體就帶有正電荷或負電荷，帶有電荷的物體稱為帶電體。在電荷的周圍存在著電場，引進電場中的電荷將受到電場力的作用。該電荷稱為試探電荷！發出電場的電荷稱為場源電荷！電場強度和電位是表示靜電場中各點性質的兩個基本物理量。電場中某點的電場強度即是單位正電荷在該點所受到的作用力。電場強度的單位是牛頓/庫倫(N/C>o)電場中某點的電位是指在電場中將單位正電荷從該點移至電位參考點的電場力所作的功。電位的常用單位是伏特(V)或毫伏(mV )，即1V=1000mVe電場中某兩點之間的電位差稱為這兩點之間的電壓或電壓降。電壓的單位與電位的單位相同。電場強度由電場本身決定！一種物體的原子得到電子後會帶上負電，失去電子後會帶上正電。電性相反的電荷會互相吸引，電性相同的電荷會互相排斥。不帶電荷的物體是一種電中性物體。
（二）電流與電路
在電源的非靜電力作用下，同種帶電微粒會發生定向移動，正電荷向電源負極移動、負電荷向電源正極移動。帶電微粒的定向移動就是電流，一般規定正電荷移動的方向為電流的正方向。電流方向不隨時間變化的電流叫直流電，電流方向隨時間變化的電流叫交流電。區分直流和交流，僅僅是其方向而已，與其它的量無關。電流雖然有方向，但是是一個標量。電流的大小稱為電流強度，電流強度簡稱為電流，等於每秒通過電路的電荷量。電流的常用單位是安培（A）或毫安培（mA），即1000mA=1A。電流所流經的路徑即電路。在閉合電路中，實現電能的傳遞和轉換。電路由電源、連線導線、開關電器、負載及其它輔助設備組成。電源是提供電能的設備，電源的功能是把非電能轉換為電能，如電池把化學能轉換為電能，發電機把機械能轉換為電能，太陽能電池將太陽能轉化為電能等。

驗電器

乾電池、蓄電池、發電機等是最常用的電源。負載是電路中消耗電能的設備，負載的功能是把電能轉變為其它形式的能量。如電爐把電能轉變為熱能，電動機把電能轉變為機械能等。照明器具、家用電器、工具機等是最常見的負載。開關電器是負載的控制設備，如閘刀開關、斷路器、電磁開關、減壓起動器等都屬於開關電器。輔助設備包括各種繼電器、熔斷器以及測量儀表等。輔助設備用於實現對電路的控制、分配、保護及測量。連線導線把電源、負載和其它設備連線成一個閉合迴路，連線導線的作用是傳輸電能或傳送電訊號。

研究歷史

很久以前，就有許多術士致力於研究電的現象。可是，所得到的結果真是乏善可陳，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。在那時，科學家並沒有找到什麼電的實際用途。這要等到十九世紀末期，由於電機工程學的進步，把電帶進了工業和家庭裡面。在這個電氣研發的黃金時代，日新月異、連綿不斷的快速發展帶給了工業和社會，難以形容、無法想像的巨大改變。做為能源的一種供給方式，電所具有的多重優點，意味著電的用途幾乎是無可限量。例如，大眾交通、取暖、照明、電訊、計算等等，都必須用電為主要能源。來到二十一世紀，現代工業社會的骨幹仍舊依賴著電能源。在可看見的未來，電能必是綠色科技的主角之一。

電塔

古代發現

在對電的具體認知很多年前，人們就已經知道發電魚（electric fish）會發出電擊。根據公元前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，希臘人、羅馬人，阿拉伯自然學者和阿拉伯醫學者，才又出現關於發電魚的記載。古羅馬醫生 Scribonius Largus 也在他的大作《Compositiones Medicae》中，建議患有像痛風或頭疼一類病痛的病人，去觸摸電鰩，也許強力的電擊會治癒他們的疾病。

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認出電的其它來源。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。

在地中海區域的古老文化里，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。公元前600年左右，古希臘的哲學家泰勒斯（Thales, 640-546B.C.）做了一系列關於靜電的觀察。從這些觀察中，他認為摩擦使琥珀變得磁性化。這與礦石像磁鐵礦的性質迥然不同；磁鐵礦天然地具有磁性。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。

近代研究

18世紀時西方開始探索電的種種現象。

1732年，美國的科學家富蘭克林（Benjamin Franklin,1706～1790）認為電是一種沒有重量的流體，存在於所有物體中。當物體得到比正常份量多的電就稱為帶正電；若少於正常份量，就被稱為帶負電，所謂“放電”就是正電流向負電的過程（人為規定的），這個理論並不完全正確，但是正電、負電兩種名稱則被保留下來。此時期有關“電”的觀念是物質上的主張。富蘭克林做了多次實驗，並首次提出了電流的概念。富蘭克林的這一說法，在當時確實能夠比較圓滿地解釋一些電的現象，但對於電的本質的認識與我們的“兩個物體互相磨擦時，容易移動的恰恰是帶負電的電子”的看法卻是相反。

1752年，他提出了風箏實驗（據傳，沒有實際證據證明富蘭克林做過此類實驗。）。其他科學家在實驗中，將繫上鑰匙的風箏用金屬線放到雲層中，被雨淋濕的金屬線將空中的閃電引到手指與鑰匙之間，證明了空中的閃電與地面上的電是同一回事。後來他根據這個原理，發明了避雷針。

富蘭克林讓別人做了多次實驗，進一步揭示了電的性質，並提出了電流這一術語。富蘭克林對電學的另一重大貢獻，就是通過設計1752年著名的風箏實驗，“捕捉天電”，證明天空的閃電和地面上的電是一回事。科學家用金屬絲把一個很大的風箏放到雲層里去。金屬絲的下端接了一段繩子，另在金屬絲上還掛了一串鑰匙。當時富蘭克林一手拉住繩子，用另一手輕輕觸及鑰匙。於是科學家立即感到一陣猛烈的衝擊（電擊），同時還看到手指和鑰匙之間產生了小火花。而且科學家的手被彈開了，這個實驗表明：被雨水濕透了的風箏的金屬線變成了導體，把空中閃電的電荷引到手指與鑰匙之間。這在當時是一件轟動一時的大事。一年後富蘭克林總結製造出了世界上第一個避雷針。

電流現象的研究，對於人們深入研究電學和電磁現象有著重要的意義。最早開始電流研究的是義大利的解剖學教授伽伐尼（1737－1798）。伽伐尼的發現源自於1780年的一次極為普通的閃電現象。閃電使伽伐尼解剖室內桌子上與鉗子和鑷子環接觸的一隻青蛙腿發生痙攣現象。嚴謹的科學態度，使他沒有放棄對這個“偶然”的奇怪現象的研究。他花費了整整12年的時間，研究像青蛙腿這種肌肉運動中的電氣作用。最後，他發現如果使神經和肌肉同兩種不同的金屬（例如銅絲和鐵絲）接觸，青蛙腿就會發生痙攣。這種現象是在一種電流迴路中產生的現象。但是，伽伐尼對這種電流現象的產生原因仍然未能回答，他認為蛙腿的痙攣現象是“動物電”的表現，由金屬絲構成的迴路只是一個放電迴路。

特斯拉線圈

伽伐尼的看法在當時的科學界中引起了巨大的反響，但是，另一位義大利科學家伏打（伏特）（1745～1827）不同意伽伐尼的看法，他認為電存在於金屬之中，而不是存在於肌肉中，兩種明顯不同的意見引起了科學界的爭論，並使科學界分成兩大派。1799年，義大利科學家伏特以含食鹽水的濕抹布，夾在銀和鋅的圓形板中間，堆積成圓柱狀，製造出世界上最早的電池－伏特電池。1800年春季，伏特在英國皇家協會發表關於伏打電池的論文。

1821年英國人‘法拉第’完成了一項重大的電發明。在這兩年之前，奧斯特已發現如果電路中有電流通過，它附近的普通羅盤的磁針就會發生偏移。法拉第從中得到啟發，認為假如磁鐵固定，線圈就可能會運動。根據這種構想，他成功地發明了一種簡單的裝置。在裝置內，只要有電流通過線路，線路就會繞著一塊磁鐵不停地轉動。事實上法拉第發明的是第一台電動機，是第一台使用電流將物體運動的裝置。雖然裝置簡陋，但它卻是今天世界上使用的所有電動機的祖先。

1831年，法拉第制出了世界上最早的第一台發電機。他發現第一塊磁鐵穿過一個閉合線路時，線路內就會有電流產生，這個效應叫電磁感應。一般認為法拉第的電磁感應定律是他的一項最偉大的貢獻。

1866年德國人西門子（Siemens）製成世界上第一台工業用發電機。

認識的進步

從物質到電場

1600年，英國人吉爾伯特(William Gilbert,1544-1603)發明了驗電器，這為後來人們對電的研究提供了試驗基礎。1660年，德國人居里克( Ott von Guerick,1602-1686)製造摩擦起電機。

在十八世紀電的量性方面開始發展，1767年蒲力斯特里（J.B.Priestley）與1785年庫侖（C.A.Coulomb 1736-1806）發現了靜態電荷間的作用力與距離平方成反比的定律，奠定了靜電的基本定律。

在1800年，義大利的伏特（A.Voult）用銅片和鋅片浸於食鹽水中，並接上導線，製成了第一個電池，他提供首次的連續性的電源，堪稱現代電池的元祖。1831年英國的法拉第（M. Faraday）利用磁場效應的變化，展示感應電流的產生。1851年他又提出物理電力線的概念。這是首次強調從電荷轉移到電場的概念。

電場與磁場

1865年、蘇格蘭的麥克斯韋（J. C. Maxwell）提出電磁場理論的數學式，這理論提供了位移電流的觀念，磁場的變化能產生電場，而電場的變化能產生磁場。麥克斯韋預測了電磁波輻射的傳播存在，而在1887年德國赫茲（H.Hertz）展示出這樣的電磁波。結果麥克斯韋將電學與磁學統合成一種理論，同時證明了光是電磁波的一種。

麥克斯韋電磁理論的發展也針對微觀方面的現象做出解釋，並指出電荷的分裂性而非連續性的存在，1895年洛倫茲（H.A.Lorentz）假設這些分裂性的電荷是電子（electron），而電子的作用就依麥克斯韋電磁方程式的電磁場來決定。1897年英國湯姆生（J.J.Thomson）證實這些電子的電性是帶負電性。而1898年由偉恩（W.Wien）在觀察陽極射線的偏轉中發現帶正電粒子的存在。

從粒子到量子

而人類一直以自然界中存在的粒子與波來描述“電”的世界。到了19世紀，量子學說的出現，使得原本構築的粒子世界又重新受到考驗。海森堡（Werner Heisenberg）所提出的“測不準原理”認為一個粒子的移動速度和位置不能被同時測得；電子不再是可數的顆粒；也不是繞著固定的軌道運行。

一九二三年，德布羅意（Louis de Broglie）提出當微小粒子運動時，同時具有粒子性和波動性，稱為“波粒二象性”，而薛丁格（Erwin Schrodinger）用數學的方法，以函式來描述電子的行為，並且用波動力學模型得到電子在空間存在的機率分布，根據海森堡測不準原理，我們無法準確地測到它的位置，但可以測得在原子核外每一點電子出現的機率。在波耳的氫原子模型中，原子在基態時的電子運動半徑，就是在波動力學模型里，電子最大出現機率的位置。

隨著科學的演進，人類逐漸理解“電”的物理量所能取得的數值是不連續的，它們所反映的規律是屬於統計性的。

分類

分類	靜電	直流電	交流電
現象	靜止的電荷（通常存在於絕緣體內，如橡膠、毛皮、琥珀、雲層）	流動方向不會改變的電荷	流動方向周期性變化的電荷
放電時間	瞬間放電（皮秒~微秒），通常是由於擊穿絕緣體導致的放電。	持續放電（通常是存在於電路中的）	持續放電（通常存在於輸電線路中）
能量	由大到小可為：閃電、脫毛衣、塑膠尺等	由大到小可為：直流輸電線路，電瓶，電子產品使用的乾電池等	由大到小可為：億萬伏發電機輸出電、工業用電、民用電等
人體感覺	通常不易感（除閃電外）	36V以上即可對人體造成傷害	交流電可能會導致心室顫動，比直流電的危險性更高

電磁效應

概念解釋

物質中的電效應是電學與其他物理學科（甚至非物理的學科）之間聯繫的紐帶。物質中的電效應種類繁多，有許多已成為或正逐漸發展為專門的研究領域。比如：

電致伸縮、壓電效應（機械壓力在電介質晶體上產生的電性和電極性）和逆壓電效應、塞貝克效應、珀耳帖效應（兩種不同金屬或半導體接頭處，當電流沿某個方向通過時放出熱量，而電流反向時則吸收熱量）、湯姆孫效應（一金屬導體或半導體中維持溫度梯度，當電流沿某方向通過時放出熱量，而電流反向時則吸收熱量）、熱敏電阻（半導體材料中電阻隨溫度變化而變化）、光敏電阻（半導體材料中電阻隨光照靈敏變化）、光生伏打效應（半導體材料因光照產生電位差），等等。

對於各種電效應的研究有助於了解物質的結構以及物質中發生的基本過程，此外在技術上，它們也是實現能量轉換和非電量電測法的基礎。

電磁測量

也是電學的組成部分。測量技術的發展與學科的理論發展有著密切的聯繫，理論的發展推動了測量技術的改進；測量技術的改善在新的基礎上驗證理論，並促成新理論的發現。

電磁測量包括所有電磁學量的測量，以及有關的其他量（交流電的頻率、相角等）的測量。利用電磁學原理已經設計製作出各種專用儀表（安培計，伏特針、歐姆計、磁場計等）和測量電路，它們可滿足對各種電磁學量的測量。

電磁測量的另一個重要的方面是非電量（長度、速度、形變、力、溫度、光強、成分等）的電測量。它的主要原理是利用電磁量與非電量相互聯繫的某種效應，將非電量的測量轉換為電磁量的測量。由於電測量有一系列優點：準確度高、量程寬、慣量小、操作簡便，並可遠距離遙測和實現測量技術自動化，非電量的電測量正在不斷發展。

電池

我們用的電池和伏特當初所製造的電池組，是運用相同的原理。電池的外殼都是由鋅製成；鋅的外面再會覆蓋一層塑膠或洋鐵皮，以防止電池發生滲漏的情形。在電池裡沒有銀片或銅片，而是在正中央有一根碳棒（像很粗的鉛筆芯）。電池裡的碳棒和鋅的外殼之間裝的是濃稠的糊狀化學物質（電解液）。

電池組

套用

電的發現和套用極大的節省了人類的體力勞動和腦力勞動，使人類的力量長上了翅膀，使人類的信息觸角不斷延伸。電對人類生活的影響有兩方面：能量的獲取轉化和傳輸，電子信息技術的基礎。電的發現可以說是人類歷史的革命，由它產生的動能每天都在源源不斷的釋放，人對電的需求誇張的說其作用不亞於人類世界的氧氣，如果沒有電，人類的文明還會在黑暗中探索。

消費類電子產品在不同發展水平的國家有不同的內涵，在同一國家的不同發展階段有不同的內涵。

中國消費類電子產品是指用於個人和家庭與廣播、電視有關的音頻和視頻產品，主要包括：電視機、影碟機（VCD、 SVCD、DVD)、IPTV、錄像機、攝錄機、收音機、收錄機、組合音響、電唱機、雷射唱機（CD）等。而在一些已開發國家，則把電話、個人電腦、家庭辦公設備、家用電子保健設備、汽車電子產品等也歸在消費類電子產品中。隨著技術發展和新產品新套用的出現，數位相機、手機、PDA等產品也在成為新興的消費類電子產品。從二十世紀九十年代後期開始，融合了計算機、信息與通信、消費類電子三大領域的信息家電開始廣泛地深入家庭生活，它具有視聽、信息處理、雙向網路通訊等功能，由嵌入式處理器、相關支撐硬體（如顯示卡、存儲介質、IC卡或信用卡的讀取設備）、嵌入式作業系統以及套用層的軟體包組成。廣義上來說，信息家電包括所有能夠通過網路系統互動信息的家電產品，如PC、機頂盒、HPC、DVD、超級VCD、無線數據通信設備、視頻遊戲設備、WEBTV等。音頻、視頻和通訊設備是信息家電的主要組成部分。電冰櫃、洗衣機、微波爐等也發展成為了信息家電，並構成智慧型家電的組成部分。

現代的電力供應由於常規能源的日益減少而出現了供應危機，世界各國均以新能源作為發展方向，主要推廣的有風能、太陽能、地熱能等，隨著技術的進步，電力供應的常規能源消耗將被取代！人類的生活環境會得到改善！

注意事項

雖然如此，維修電路時適當的防護是必不可少的，電工手套等設備都是為了增大電阻，減小通過人體的電流。同時，一些小技巧，如維修電路時背著左手都可減小觸電的危險。