什么是电？

电的现象无处不在，那么什么是电呢？

电是物质运动的一种形式，是包含在物质中的电子随着粒子运动时的一种能量表现形式。所以，从本质上来说，电是一种能量，常被称为电能。

电在人们的生产生活中得到了广泛的应用，比如通电后可以使电灯发光或电炉升温(称为电的热效应)；能使电机转动(称为电的动力效应)；可以进行电解(称为电的化学效应)；电磁铁会产生强大的吸引力(称为电的磁效应)等等。可以看出，电有许多功能，它可以转换成其他形式的能量。因此，人们通常把用电功率表示的电能称为电。

为了进一步理解电的本质是什么，我们必须首先了解物质的电结构。现代科学的大量实验证明，任何物质都是由分子组成的，而分子又是由保持原物质性质的原子组成的。原子由原子核和电子组成，原子核中还含有质子和中子。

由于中子不带电荷，而质子带正电，所以原子核带正电，电子带负电。正常情况下，原子核所带的正电荷与电子所带的负电荷相等，所以普通原子(甚至物质)是不带电的。电子以一定的轨道绕着原子核运动，就像宇宙中太阳系的行星和太阳的关系一样，外层轨道的电子和原子核的联系很弱。当一个电子在外界因素(如光、热、外力等)的影响下获得一定的能量时。)，它可能脱离原子核的吸引和束缚，跑出轨道成为自由电子，使物体由于缺少负电而呈现正态，而另一个有自由电子的物体则带负电。

电力发展简史

“电”这个词在西方是由希腊语“琥珀”转来的，但在中国却是由雷电现象衍生而来。自18世纪中叶以来，对电学的研究逐渐展开。人类对电的每一次重大发现都引起了广泛的实用研究，从而推动了科学技术的飞速发展。

现在人类的生活、科技活动、物质生产活动都离不开电，很难想象没有电的世界会是什么样子。随着科学技术的发展，一些具有专门知识的研究内容逐渐独立出来，形成专门学科，如电子学、电工学等。电学，又称电磁学，是物理学中具有重要意义的基础学科。

电的记录可以追溯到公元前6世纪。早在公元前585年，希腊哲学家泰勒斯就有记载，琥珀与木块摩擦可以吸引光线和碎草等小物件，后来发现摩擦过的煤玉也有吸引光线和小物件的能力。在接下来的2000年里，这些现象只被认为和磁铁吸铁一样，属于物质的本质，并没有其他重大发现。

1600年，英国物理学家吉尔伯特发现，不仅琥珀、煤玉石摩擦后能吸引轻小物体，相当多的物质摩擦后也具有吸引轻小物体的性质。大约1660年，马德雷堡的格里克发明了世界上第一台摩擦电机。

18世纪，电学的研究迅速发展。1729年，英国的格雷在研究琥珀的电效应能否传导到其他物体时，发现了导体和绝缘体的区别:金属可以导电，丝不能，他第一次给人体充电。格雷的实验引起了法国学者迪费的注意。1733年，迪费发现绝缘的金属也可以通过摩擦带电，于是他得出结论:所有物体都可以通过摩擦带电。他把玻璃上产生的电叫做“玻璃”，琥珀上产生的电和树脂产生的电是一样的，所以叫做“树脂”。他得出结论，电荷相同的物体互相排斥；电荷不同的物体相互吸引。

1745年，荷兰莱顿的穆申布鲁克发明了可以“节约”电力的莱顿瓶。莱顿瓶的发明为电学的进一步研究提供了条件，对电学知识的传播起到了重要作用。

大约在同一时期，美国科学家富兰克林做了许多有意义的工作，丰富了人们对电的认识。在1747中，他提出电是一种流体，具有超常的特性:正常情况下，电是以一定量存在于所有物质中的元素；电和流体一样，可以通过摩擦从一个物体转移到另一个物体，但不能被创造出来；任何孤立物体的总电量是不变的，这就是俗称的电荷守恒定律。他把物体摩擦时获得的电的多余部分称为正电，把物体失去电时的不足部分称为负电。从那以后，这两种性质截然相反的不同带电状态被赋予了正式的名称。随后在1752年，震惊世界的“风筝实验”的成功验证了雷与电的内在联系。电荷相互作用的定量研究开始于18世纪后期。1776年，普里斯特利发现带电金属容器的内表面没有电荷，推测电和引力之间也有类似的规律。1769年，通过小球受电和引力平衡的实验，罗宾逊第一次直接确定了两个电荷之间的相互作用力与距离的平方成反比。在1773中，卡文迪什计算出电与距离的二次形式成反比。他的实验是近代精确验证电的定律的雏形。1782年，意大利物理学家伏特研制成功了蓄电池。虽然这种电源非常原始，但电池的发明是从静电到动力电的重大突破，推动了电学研究的快速发展。

1785年，法国物理学家库仑设计了一个精巧的扭秤实验，直接测得两个静态点电荷之间的相互作用力与它们之间的二次距离成反比，与它们的电积成正比的库仑定律。库仑的实验得到了世界的认可，电学的研究开始进入科学行列。

化学电源发明后，人们很快发现可以用它做很多不寻常的事情。1800年，卡莱尔和尼科尔森用低压电流分解水；同年，里特成功地从电解水中收集了两种气体，从硫酸铜溶液中电解出金属铜；1807年，大卫用巨大的电池组先后电解出钾、钠、钙、镁等金属；1811年，大卫用2000节电池组成的电池组做了一个碳电极电弧。从19的50年代开始成为灯塔、剧院等场所的强光源，逐渐被19的70年代爱迪生发明的白炽灯取代。此外，伏打电池还促进了电镀的发展，这是西门子等人在1839年发明的。

虽然早在1750年，富兰克林就已经观察到莱顿瓶的放电可以使钢针磁化，甚至更早，观察到闪电使指南针的磁针旋转，但是到了19世纪初，科学界仍然普遍认为电和磁是两种独立的功能。与这种传统观念相反，丹麦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性的哲学思想，坚信电和磁之间存在某种联系。1807年，丹麦学者奥斯特发现导体通电时，其附近的小磁针会发生偏转，结果证实了偏转磁针的电流具有磁效应。他断言，当电流流过导体时，导体周围会产生磁场。电能产生磁性的这一伟大发现，揭示了电现象和磁现象的内在联系，从而为电磁学的研究领域奠定了基础。电流磁效应的发现开辟了电学研究的新时代。

电流磁效应的发现开辟了电学应用的新领域。1825年，斯特金发明了电磁铁，为电的广泛应用创造了条件。1833年，高斯和韦伯制成了第一台简单的单线电报；1837年，惠斯通和莫尔斯分别独立发明了电报，莫尔斯还发明了一套密码，通过这套密码，他可以在移动的纸上标记点和短横线来传递信息。1861年，贝尔发明了电话，现代仍作为受话器使用，其送话器由爱迪生发明的碳素送话器和休斯发明的麦克风改进而成。

法拉第在电磁感应的基础上制造了第一台发电机。此外，他将电学现象与其他现象联系起来，进行了广泛的研究。1882年，法国物理学家安培提出了关于电流作用在磁针上的力的电动力学原理，以及如何确定电流产生的磁场的方向(右螺旋法则)。指出电和磁是同一的，电磁作用应该用“电流的相互作用”这一表述来统一描述。1826年，英格兰和爱尔兰著名的物理学家欧姆把电阻的概念引入到电流的研究中。经过大量实验，他终于找到了控制电流的规律，并总结出著名的欧姆定律:在任何有电流的闭合电路中，电流强度与电动势成正比，与电路的总电阻成反比。经过另一位德国科学家基尔霍夫(又译基尔霍夫)的进一步研究，他提出了节点电流和回路电压定律，用以解决任意电路，特别是复杂电路。1827年，美国科学家亨利成功研制出强力电磁铁，并用圆柱形线圈做实验，观察电路中电流通断时的火花变化，从而发现并提出自感现象。1828年，德国科学家高斯设计制造了磁强计和磁侧测角仪，用磁偏角、磁倾角和磁强度三个要素来描述地磁。1831年8月，英国物理学家、化学家法拉第终于发现了磁性也能发电的定律，即动磁发电定律，进一步阐明了电和磁的关系，提出了磁力线的概念。正是电磁感应的这一伟大发现，为后来发电机等电气设备的发明奠定了理论基础。1833年，俄罗斯科学院院士冷慈在论文中阐述了磁场的变化不可能是突变的，并解释说是由感应电动势的电阻引起的。因此，楞次定律也被称为电磁惯性定律。同时，他提出了确定感生电动势方向的冷次法则，比确定感生电动势方向的右手法则更具有普适性。此外，他和英国物理学家焦耳几乎同时发表了电流在不同地方的热效应的研究成果，即电阻上产生的热量与通过的电流的平方、电阻的大小和通电的时间成正比，后来被称为焦耳-楞次定律或简称焦耳定律。1833年，法拉第成功证明了摩擦起电与伏打电池产生的相同，1834年发现了电解定律，1845年发现了磁光效应，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，首次通过实验证明了电荷守恒定律。

1856年，英国科学家麦克斯韦不仅综合了库仑定律、安培定律和法拉第定律，还提出了所谓位移电流的概念。在原有的电磁理论中引入了场的概念，建立了麦克斯韦电磁场(微分)方程，这是电学发展史上又一个辉煌的里程碑。他认为是因为空间中一种叫做以太的东西传播了电磁力，从而否定了著名的牛顿超距作用。在1873中，他用跃迁方程说明了空间中时变的电场和磁场是相互依存的。认为改变电场性质可以产生磁场，反之亦然，由此推断电磁场会在真空中以光速传播光的能量和电磁质量。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辟了全新的前景。1866年，西门子发明了实用的自励电机；19年底，实现电能远距离传输；电机广泛应用于生产和运输领域，极大地改变了工业生产的面貌。

麦克斯韦认为，变化的磁场激发了周围空间的涡旋电场；变化的电场引起介质电位移的变化，电位移的变化可以像电流一样在周围空间激发出涡流磁场。麦克斯韦用数学公式清楚地表达了它们，从而得到了电磁场的普适方程——麦克斯韦方程组。法拉第的磁力线思想和电磁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，设计制造了电磁波源和电磁波探测器，通过实验可以探测电磁波，确定电磁波的波速。他还观察到，电磁波和光波一样，是偏振的，可以被反射、折射和聚焦。从此，麦克斯韦的理论逐渐被人们所接受。

麦克斯韦电磁理论被赫兹电磁波实验证明，开辟了一个全新的领域——电磁波的应用和研究。1895年，俄罗斯的波波夫和意大利的马可尼分别实现了无线电信号的传输。后来马可尼将赫兹的振动器改进成垂直天线；德国的博朗进一步将发射机分为两条振弦，为扩大信号传输范围创造了条件。1901年，马可尼第一次建立了跨大西洋的无线电联系。电子管的发明及其在传输线中的应用，使电磁波的发射和接收变得容易，促进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，他于2月1876在美国专利局申请了电话专利权。

1896年，洛伦兹提出了电子理论，将麦克斯韦方程组应用于微观领域，将物质的电磁性质归结于原子中电子的作用。这不仅可以解释物质对光的极化、磁化、导电和吸收、散射和色散等现象，还可以成功地解释磁场中光谱分裂的正常塞曼效应。此外，洛伦茨还根据电子理论推导出了关于运动介质中光速的公式，将麦克斯韦的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，假设存在一种特殊的介质“以太”，它是电磁波的载体。只有在以太参照系中，真空中的光速与方向严格无关，麦克斯韦方程组和洛仑兹力公式也只有在以太参照系中严格成立。这意味着电磁定律不符合相对性原理。对这个问题的进一步研究导致爱因斯坦在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，而且对理论物理的未来发展起了巨大的作用。

随着电力科学的不断发展，从19的70年代开始，人类在电力应用技术的发明创造上也取得了惊人的突破。1879年，美国科学家、发明家爱迪生多次发明并改进了白炽灯，后来又发明了保险丝(当时用的是锌丝)。爱迪生一生的发明，包括发电机、自动电报、打字机、留声机和新电池，为人类做出了不朽的贡献。当时世界上出现了单相交流电和单相同步发电机，但只用于照明。工业上使用的交流电机最初只是单相交流异步电机。因为不能自己启动，所以使用受到很大限制。1881年爱迪生发明了交流发电机，1882年法国盖勒和英国戈布斯发明了磁路变压器。1888年，俄国工程教师布罗夫斯基和吕德建立了三相通信系统。1889年，三相交流电试验应用成功，建立了世界上第一条三相系统线路。不久，三相发电机和电动机相继问世，为三相交流系统在世界范围内的普遍应用奠定了基础。自1890三柱铁芯三相变压器问世以来，三相异步电动机得到了广泛应用，工业电源很快被其取代。这使得电能在工业生产中的应用发展迅速，并逐渐取代蒸汽等动力源。到20世纪初，人类结束了自1796年英国人瓦特发明蒸汽机以来开创的蒸汽时代，进入了更为先进的电气时代。可见，就三相交流系统应用技术和电力工业的创建和发展而言，从创建、实验到在世界范围内普遍应用，也不过一百多年的时间。

电场

电场是存在于电荷周围空间中的一种特殊物质，它改变磁场。电场不同于通常的物理对象。它不是由分子原子构成的，但它是客观存在的。电场具有普通物质所具有的力和能量等客观属性。电场力的本质是这样的:电场作用于放入其中的电荷，这个力叫做电场力。电场能量的本质是:电荷在电场中运动时，电场力确实对电荷做功(说明电场有能量)。