电学基础知识
第一章 电学基础知识
“电”,electricity,一词在西方是从希腊文琥珀一词转意而来的～在中国则是从雷闪现象中引出来的。自从18世纪中叶以来～对电的研究逐渐蓬勃开展。它的每项重大发现都引起广泛的实用研究～从而促进科学技术的飞速发展。
现今～无论人类生活、科学技术活动以及物质生产活动都已离不开电。随着科学技术的发展～某些带有专门知识的研究内容逐渐～形成专门的学科～如电子学、电工学等。电学又可称为电磁学～是物理学中颇具重要意义的基础学科。
第一节 电学的发展简史
有关电的记载可追溯到公元前6世纪。早在公元前585年～希腊哲学家泰勒斯已记载了用木块摩擦过的琥珀能够吸引碎草等轻小物体～后来又有人发现摩擦过的煤玉也具有吸引轻小物体的能力。在以后的2000年中～这些现象被看成与磁石吸铁一样～属于物质具有的性质～此外没有什么其他重大的发现。
在中国～西汉末年已有“碡瑁,玳瑁,吸偌,细小物体之意,”的记载,晋朝时进一步还有关于摩擦起电引起放电现象的记载“今人梳头～解著衣时～有随梳解结有光者～亦有咤声”。
1600年～英国物理学家吉伯发现～不仅琥珀和煤玉摩擦后能吸引轻小物体～而且相当多的物质经摩擦后也都具有吸引轻小物体的性质～他注意到这些物质经摩擦后并不具备磁石那种指南北的性质。为了表明与磁性的不同～他采用琥珀的希腊字母拼音把这种性质称为“电的”。吉伯在实验过程中制作了第一只验电器～这是一根中心固定可转动的金属细棒～当与摩擦过的琥珀靠近时～金属细棒可转动指向琥珀。
大约在1660年～马德堡的盖利克发明了第一台摩擦起电机。他用硫磺制成形如地球仪的可转动球体～用干燥的手掌摩擦转动球体～使之获得电。盖利克的摩擦起电机经过不断改进～在静电实验研究中起着重要的作用～直到19世纪霍耳茨和推普勒分别发明感应起电机后才被取代。
18世纪电的研究迅速发展起来。1729年～英国的格雷在研究琥珀的电效应是否可传递给其他物体时发现导体和绝缘体的区别:金属可导电～丝绸不导电～并且他第一次使人体带电。格雷的实验引起法国迪费的注意。1733年迪费发现绝缘起来的金属也可摩擦起电～因此他得出所有物体都可摩擦起电的结论。他把玻璃上产生的电叫做“玻璃的”～琥珀上产生的电与树脂产生的相同～叫做“树脂的”。他得到:带相同电的物体互相排斥,带不同电的物体彼此吸引。
1745年～荷兰莱顿的穆申布鲁克发明了能保存电的莱顿瓶。莱顿瓶的发明为电的进一步研究提供了条件～它对于电知识的传播起到了重要的作用。
差不多同时～美国的富兰克林做了许多有意义的工作～使得人们对电的认识更加丰富。1747年他根据实验提出:在正常条件下电是以一定的量存在于所有物质中的一种元素,
电跟流体一样～摩擦的作用可以使它从一物体转移到另一物体～但不能创造,任何孤立物体的电总量是不变的～这就是通常所说的电荷守恒定律。他把摩擦时物体获得的电的多余部分叫做带正电～物体失去电而不足的部分叫做带负电。
严格地说～这种关于电的一元流体理论在今天看来并不正确～但他所使用的正电和负电的术语至今仍被采用～他还观察到导体的尖端更易于放电等。早在1749年～他就注意到雷闪与放电有许多相同之处。1752年他通过在雷雨天气将风筝放入云层～来进行雷击实验～证明了雷闪就是放电现象。在这个实验中最幸运的是富兰克林居然没有被电死～因为这是一个危险的实验～后来有人重复这种实验时遭电击身亡。富兰克林还建议用避雷针来防护建筑物免遭雷击。1745年首先由狄维斯实现～这大概是电的第一个实际应用。
18世纪后期开始了电荷相互作用的定量研究。1776年～普里斯
特利发现带电金属容器内表面没有电荷～猜测电力与万有引力有相似的规律。1769年～鲁宾孙通过作用在一个小球上电力和重力平衡的实验～第一次直接测定了两个电荷相互作用力与距离二次方成反比。1773年～卡文迪什推算出电力与距离的二次方成反比～他的这一实验是近代精确验证电力定律的雏形。
1785年～库仑设计了精巧的扭秤实验～直接测定了两个静止点电荷的相互作用力与它们之间的距离二次方成反比～与它们的电量乘积成正比。库仑的实验得到了世界的公认～从此电学的研究开始进入科学行列。1811年泊松把早先力学中拉普拉斯在万有引力定律基础上发展起来的势论用于静电～发展了静电学的解析理论。
18世纪后期电学的另一个重要的发展是意大利物理学家伏打发明了电池～在这之前～电学实验只能用摩擦起电机的莱顿瓶进行～而它们只能提供短暂的电流。1780年～意大利的解剖学家伽伐尼偶然观察到与金属相接触的蛙腿发生抽动。他进一步的实验发现～若用两种金属分别接触蛙腿的筋腱和肌肉～则当两种金属相碰时～蛙腿也会发生抽动。
1792年～伏打对此进行了仔细研究之后～认为蛙腿的抽动是一种对电流的灵敏反应。电流是两种不同金属插在一定的溶液内并构成回路时产生的～而肌肉提供了这种溶液。基于这一思想～1799年～他制造了第一个能产生持续电流的化学电池～其装臵为一系列按同样顺序叠起来的银片、锌片和用盐水浸泡过的硬纸板组成的柱体～叫做伏打电堆。
此后～各种化学电源蓬勃发展起来。1822年塞贝克进一步发现～将铜线和一根别种金属(铋)线连成回路～并维持两个接头的不同温度～也可获得微弱而持续的电流～这就是热电效应。
化学电源发明后～很快发现利用它可以作出许多不寻常的事情。1800年卡莱尔和尼科尔森用低压电流分解水,同年里特成功地从水的电解中搜集了两种气体～并从硫酸铜溶液中电解出金属铜,1807年～戴维利用庞大的电池组先后电解得到钾、钠、钙、镁等金属,1811年他用2000个电池组成的电池组制成了碳极电弧,从19世纪50年代起它成为灯塔、剧院等场所使用的强烈光电源～直到70年代才逐渐被爱迪生发明的白炽灯所代替。此外伏打电池也促进了电镀的发展～电镀是1839年由西门子等人发明的。
虽然早在1750年富兰克林已经观察到莱顿瓶放电可使钢针磁化～甚至更早在10
年～已有人观察到闪电使罗盘的磁针旋转～但到19世纪初～科学界仍普遍认为电和磁是两种的作用。与这种传统观念相反～丹麦的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的哲学思想～坚信电与磁之间有着某种联系。经过多年的研究～他终于在1820年发现电流的磁效应:当电流通过导线时～引起导线近旁的磁针偏转。电流磁效应的发现开拓了电学研究的新纪元。
奥斯特的发现首先引起法国物理学家的注意～同年即取得一些重要成果～如安培关于载流螺线管与磁铁等效性的实验,阿喇戈关于钢和铁在电流作用下的磁化现象,毕奥和萨伐尔关于长直载流导线对磁极作用力的实验,此外安培还进一步做了一系列电流相互作用的精巧实验。由这些实验分析得到的电流元之间相互作用力的规律～是认识电流产生磁场以及磁场对电流作用的基础。
电流磁效应的发现打开了电应用的新领域。1825年斯特金发明电磁铁～为电的广泛应用创造了条件。1833年高斯和韦伯制造了第一台简陋的单线电报,1837年惠斯通和莫尔斯分别发明了电报机～莫尔斯还发明了一套电码～利用他所制造的电报机可通过在移动的纸条上打上点和划来传递信息。
1855年汤姆孙(即开尔文)解决了水下电缆信号输送速度慢的问题～1866年按照汤姆孙设计的大西洋电缆铺设成功。1854年～法国电报家布尔瑟提出用电来传送声音的设想～但未变成现实,后来～赖斯于1861年实验成功～但未引起重视。1861年贝尔发明了电话～作为收话机～它仍用于现代～而其发话机则被爱迪生的发明的碳发话机以及休士的发明的传声器所改进。
电流磁效应发现不久～几种不同类型的检流计设计制成～为欧姆发现电路定律提供了条件。1826年～受到傅里叶关于固体中热传导理论的启发～欧姆认为电的传导和热的传导很相似～电源的作用好像热传导中的温差一样。为了确定电路定律～开始他用伏打电堆作电源进行实验～由于当时的伏打电堆性能很不稳定～实验没有成功,后来他改用两个接触点温度恒定因而高度稳定的热电动势做实验～得到电路中的电流强度与他所谓的电源的“验电力”成正比～比例系数为电路的电阻。
由于当时的能量守恒定律尚未确立～验电力的概念是含混的～直到1848年基尔霍夫从能量的角度考查～才橙清了电位差、电动势、电场强度等概念～使得欧姆理论与静电学概念协调起来。在此基础上～基尔霍夫解决了分支电路问题。
杰出的英国物理学家法拉第从事电磁现象的实验研究～对电磁学的发展作出极重要的贡献～其中最重要的贡献是1831年发现电磁感应现象。紧接着他做了许多实验确定电磁感应的规律～他发现当闭合线圈中的磁通量发生变化时～线圈中就产生感应电动势～感应电动势的大小取决于磁通量随时间的变化率。后来～楞次于1834年给出感应电流方向的描述～而诺埃曼概括了他们的结果给出感应电动势的数学公式。
法拉第在电磁感应的基础上制出了第一台发电机。此外～他把电现象和其他现象联系起来广泛进行研究～在1833年成功地证明了摩擦起电和伏打电池产生的电相同～1834年发现电解定律～1845年发现磁光效应～并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～并首次用实验证明了电荷守恒定律。
电磁感应的发现为能源的开发和广泛利用开创了崭新的前景。1866年西门子发明了
可供实用的自激发电机,19世纪末实现了电能的远距离输送,电动机在生产和交通运输中得到广泛使用～从而极大地改变了工业生产的面貌。
对于电磁现象的广泛研究使法拉第逐渐形成了他特有的“场”的观念。他认为:力线是物质的～它弥漫在全部空间～并把异号电荷和相异磁板分别连结起来,电力和磁力不是通过空虚空间的超距作用～而是通过电力线和磁力线来传递的～它们是认识电磁现象必不可少的组成部分～甚至它们比产生或“汇集”力线的“源”更富有研究的价值。
法拉第的丰硕的实验研究成果以及他的新颖的场的观念～为电磁现象的统一理论准备了条件。诺埃曼、韦伯等物理学家对电磁现象的认识曾有过不少重要贡献～但他们从超距作用观点出发～概括库仑以来已有的全部电学知识～在建立统一理论方面并未取得成功。这一工作在19世纪60年代由卓越的英国物理学家麦克斯韦完成。
麦克斯韦认为变化的磁场在其周围的空间激发涡旋电场,变化的电场引起媒质电位移的变化～电位移的变化与电流一样在周围的空间激发涡旋磁场。麦克斯韦明确地用数学公式把它们表示出来～从而得到了电磁场的普遍方程组——麦克斯韦方程组。法拉第的力线思想以及电磁作用传递的思想在其中得到了充分的体现。
麦克斯韦进而根据他的方程组～得出电磁作用以波的形式传播～电磁波在真空中的传播速度等于电量的电磁单位与静电单位的比值～其值与光在真空中传播的速度相同～由此麦克斯韦预言光也是一种电磁波。
1888年～赫兹根据电容器放电的振荡性质～设计制作了电磁波源和电磁波检测器～
通过实验检测到电磁波～测定了电磁波的波速～并观察到电磁波与光波一样～具有偏振性质～能够反射、折射和聚焦。从此麦克斯韦的理论逐渐为人们所接受。
麦克斯韦电磁理论通过赫兹电磁波实验的证实～开辟了一个全新的领域——电磁波的应用和研究。15年～的波波夫和意大利的马可尼分别实现了无线电信号的传送。后来马可尼将赫兹的振子改进为竖直的天线,德国的布劳恩进一步将发射器分为两个振藕线路～为扩大信号传递范围创造了条件。1901年马可尼第一次建立了横跨大西洋的无线电联系。电子管的发明及其在线路中的应用～使得电磁波的发射和接收都成为易事～推动了无线电技术的发展～极大地改变了人类的生活。
16年洛伦兹提出的电子论～将麦克斯韦方程组应用到微观领域～并把物质的电磁性质归结为原子中电子的效应。这样不仅可以解释物质的极化、磁化、导电等现象以及物质对光的吸收、散射和色散现象,而且还成功地说明了关于光谱在磁场中的正常塞曼效应,此外～洛伦兹还根据电子论导出了关于运动介质中的光速公式～把麦克斯韦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～假定了有一种特殊媒质“以太”存在～它是电磁波的荷载者～只有在以太参照系中～真空中光速才严格地与方向无关～麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式也只在以太参照系中才严格成立。这意味着电磁规律不符合相对性原理。
关于这方面问题的进一步研究～导致了爱因斯坦在1905年建立了狭义相对论～它改变了原来的观点～认定狭义相对论是物理学的一个基本原理～它否定了以太参照系的存在
并修改了惯性参照系之间的时空变换关系～使得麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式有可能在所有惯性参照系中都成立。狭义相对论的建立不仅发展了电磁理论～并且对以后理论物理的发展具有巨大的作用。
第二节 电学的基本内容
电学研究的内容主要包括静电、静磁、电磁场、电路、电磁效应和电磁测量。
静电学是研究静止电荷产生电场及电场对电荷作用规律的学科。电荷只有两种～称为
正电和负电。同种电荷相互排斥～异种电荷相互吸引。电荷遵从电荷守恒定律。电荷可以从一个物体转移到另一个物体～任何物理过程中电荷的代数和保持不变。所谓带电～不过是正负电荷的分离或转移,所谓电荷消失～不过是正负电荷的中和。
静止电荷之间相互作用力符合库仑定律:在真空中两个静止点电荷之间作用力的大小与它们的乘积成正比～与它们之间的距离的平方成反比,作用力的方向沿着它们之间的联线～同号电荷相斥～异号电荷相吸。
电荷之间相互作用力是通过电荷产生的电场相互作用的。电荷产生的电场用电场强度,简称场强,来描述。空间某一点的电场强度用正的单位试探电荷在该点所受的电场力来定义～电场强度遵从场强叠加原理。
通常的物质～按其导电性能的不同可分两种情况:导体和绝缘体。导体体内存在可运动的自由电荷,绝缘体又称为电介质～体内只有束缚电荷。
在电场的作用下～导体内的自由电荷将产生移动。当导体的成分和温度均匀时～达到静电平衡的条件是导体内部的电场强度处处等于零。根据这一条件～可导出导体静电平衡
的若干性质。
静磁学是研究电流稳恒时产生磁场以及磁场对电流作用力的学科。
电荷的定向流动形成电流。电流之间存在磁的相互作用～这种磁相互作用是通过磁场传递的～即电流在其周围的空间产生磁场～磁场对放臵其中的电流施以作用力。电流产生的磁场用磁感应强度描述。
电磁场是研究随时间变化下的电磁现象和规律的学科。
当穿过闭台导体线圈的磁通量发生变化时～线圈上产生感应电流。感应电流的方向可由楞次定律确定。闭合线圈中的感应电流是感应电动势推动的结果～感应电动势遵从法拉第定律:闭台线圈上的感应电动势的大小总是与穿过线圈的磁通量的时间变化率成正比。
麦克斯韦方程组描述了电磁场普遍遵从的规律。它同物质的介质方程、洛仑兹力公式以及电荷守恒定律结合起来～原则上可以解决各种宏观电动力学问题。
根据麦克斯韦方程组导出的一个重要结果是存在电磁波～变化的电磁场以电磁波的形式传播～电磁波在真空中的传播速度等于光速。这也说明光也是电磁波的一种～因此光的波动理论纳入了电磁理论的范畴。
电路包括直流电路和交流电路的研究～是电学的组成部分。直流电路研究电流稳恒条件下的电路定律和性质,交流电路研究电流周期性变化条件下的电路定律和性质。
直流电路由导体(或导线)连结而成～导体有一定的电阻。稳恒条件下电流不随时间变化～电场亦不随时间变化。
根据稳恒时电场的性质、导电基本规律和电动势概念～可导出直流电路的各个实用定律:欧姆定律、基尔霍夫电路定律～以及一些解决复杂电路的有效而简便的定理:等效电源定理、叠加定理、倒易定理、对偶定理等～这些实用定律和定理构成电路计算的理论基础。
交流电路比直流电路复杂得多～电流随时间的变化引起空间电场和磁场的变化～因此存在电磁感应和位移电流～存在电磁波。
电磁效应。物质中的电效应是电学与其他物理学科(甚至非物理的学科)之间联系的纽带。物质中的电效应种类繁多～有许多已成为或正逐渐发展为专门的研究领域。比如:
电致伸缩、压电效应(机械压力在电介质晶体上产生的电性和电极性)和逆压电效应、塞贝克效应、珀耳帖效应(两种不同金属或半导体接头处～当电流沿某个方向通过时放出热量～而电流反向时则吸收热量)、汤姆孙效应(一金属导体或半导体中维持温度梯度～当电流沿某方向通过时放出热量～而电流反向时则吸收热量)、热敏电阻(半导体材料中电阻随温度灵敏变化)、光敏电阻(半导体材料中电阻随光照灵敏变化)、光生伏打效应(半导体材料因光照产生电位差)～等等。
对于各种电效应的研究有助于了解物质的结构以及物质中发生的基本过程～此外在技术上～它们也是实现能量转换和非电量电测法的基础。
电磁测量也是电学的组成部分。测量技术的发展与学科的理论发展有着密切的联系～理论的发展推动了测量技术的改进,测量技术的改善在新的基础上验证理论～并促成新理
论的发现。
电磁测量包括所有电磁学量的测量～以及有关的其他量,交流电的频率、相角等,的测量。利用电磁学原理已经设计制作出各种专用仪表(安培计～伏特计、欧姆计、磁场计等)和测量电路～它们可满足对各种电磁学量的测量。
电磁测量的另一个重要的方面是非电量(长度、速度、形变、力、温度、光强、成分等)的电测量。它的主要原理是利用电磁量与非电量相互联系的某种效应～将非电量的测量转换为电磁量的测量。由于电测量有一系列优点:准确度高、量程宽、惯量小、操作简便～并可远距离遥测和实现测量技术自动化～非电量的电测量正在不断发展。
第三节 电学与其它学科
电学作为经典物理学的一个分支～就其基本原理而言～已发展得相当完善～它可用来说明宏观领域内的各种电磁现象。
20世纪～随着原子物理学、原子核物理学和粒子物理学的发展～人类的认识深入到微观领域～在带电粒子与电磁场的相互作用问题上～经典电磁理论遇到困难。虽然经典理论曾给出一些有用的结果～但是许多现象都是经典理论不能说明的。经典理论的局限性在于对带电粒子的描述忽略了其波动性方面～而对于电磁波的描述又忽略了其粒子性方面。
按照量子物理的观点～无论是物质粒子或电磁场都既有粒子性～又具有波动性。在微
观物理研究的推动下～经典电磁理论发展为量子电磁理论。
其它电学分支学科有磁学、电工学、电动力学。
其它物理学分支学科有物理学概览、力学、热学、光学、声学、电磁学、核物理学、固体物理学
电场 电荷守恒定律、库仑定律
电场能 电势
电势能、电势差
静电平衡状态
电场力做功
等势面
电场力 电场强度、电场线
带电粒子在电场中的应用
电容器及其应用
短路就是电源未经过负载而直接由导线接通成闭合回路。
由于导线的电阻很小，电源短路时电路上的电流会非常大。这样大的电流，电池或者其他电源都不能承受，会造成电源损坏;更为严重的是，因为电流太大，会使导线的温度升高，严重时有可能造成火灾。
