在我们周围,到处都可以发现电的踪迹。在现今世界里,电是不可或缺的。

电

电为我们的房子提供能量及光明,也是电脑背后的动力。

电是什么?

电是一种力。

电是宇宙四种基本力之一。

电背后的原理是:

电荷排斥吸引

基本粒子可以有 +1−1 的电

简单地说:

同性相拒、异性相吸

 

电荷

 

电荷在很远距离就可以感觉得到(叫电场)。

这距离没有极限,但距离越远,电场就越弱。

我们现在来具体了解这些基本粒子

原子

原子的图像是这样的:

氢原子量子
量子显微镜下的原子
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.213001

用这个简化图来解释会比较容易(但原子不是这么整齐的):

原子电子与原子核

在中间的原子核是由质子中子合成,而电子则环绕着原子核运动:

本杰明·富兰克林

 

+ 作为质子的电荷只不过是历史的常规,源自本杰明·富兰克林当年用玻璃瓶做电的实验的时候。
我们可以把 + 和 − 对调而不会对实际的物理有任何影响!就是说,+与−只不过是两个相反物理属性的名称。

 

在正常的环境里,原子有同样数目的质子电子,所以总电荷是零。

但是,电子可以被撞掉!

原子正电荷
原子缺了一个电子,就会有正电荷
(尝试把剩下的 + 和 − 加起来)

电子离开原子后,就有一个带正电荷的原子及一个带负电荷的电子。

我们可以这样做:

静电气球

例子:把气球和头发摩擦

•摩擦使气球收集到很多电子,因此变成带负电荷。

•头发失去电子,因此变成带正电荷。

气球有很多负电荷,头发有很多正电荷。

异性相吸,所以 + 被吸引到 − 的方向,你的头发便竖起了!

静电气球狗毛

 

我在狗狗小黄身上尝试做这个实验。

电荷的"无形之力"真的把它的毛吸引到气球的表面。

但是,小黄没觉得有什么大不了!

你也可能有类似的经验,例如在干旱的天气,毛衣会粘在衬衫上。

这叫"静电",因为大部分时间这种电都是静止(不动)的。

静电放电

手指火花

但要小心!

如果电荷差异很大,就很可能以火花的形式来恢复平衡。

这个突如其来的现象叫静电放电

闪电就是个好例子。

闪电打到地上

在雨云里,强风(上升气流,下降气流等)猛烈吹动水滴和冰晶,导致正与负电荷分离。负电荷通常聚集在雨云的底部:

雨云电荷图

很多小电荷的小电场结合成巨大的电场,这也导致电荷集中在地上一点。

你是不是觉得雷暴时空气有点不同?

最后,巨大的电荷差异导致"哢嚓"一声的闪电轰到地上!

闪电可以是从云到地上,或在云里面和云与云之间发生:

云与云之间的闪电

闪电非常光亮,因为空气被加热到摄氏 50,000 °(空气变成等离子体),形成的激波也导致打雷。

如果你和闪电只有几米的距离,你就会听到好像"噼啪噼啪"的雷声(我听过两次),因为音障被打破了。远一点的就是一般"隆隆"的雷声。

电流

静电放电(例如闪电)是猛烈的,也不容易应用。

我们需要的是连续电流

电流叫,因为它与水流相似水流

但怎样产生电流?

磁铁

电力与磁力是互相关联的,合起来就叫电磁

电磁场属性
变动的磁场产生场。
(变动的场也产生场)

 

在电线旁边移动磁铁导致电子沿电线走动(按 "Move"):

 

 

附注:

 

把磁铁在电线旁边移过就会产生电流

但如果磁铁停下来,电流也停了

那么我们怎样使得电流持续不停呢?将电线在磁铁之间旋转是个好方法:

磁铁电线旋转

要产生更大的电流我们可以用很多圈电线(叫线圈),并且用很大的磁铁和线圈:

发电机定子
大型发电机的一部分
引用自维基百科用户 Astronomyinertia

我们家里和工厂所用的电这就是这样来的。

结论

 

好了,你也学习了不少了。现在我建议你把这个网页从头再看一遍,来更加了解奇妙的电!