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  • 电学

    电学是物理学的分支学科之一。主要研究“电”的形成及其应用。“电”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独立,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。

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    中文名称: 电学 外文名称: electricity

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    简介/电学 编辑

    电学电学
    自从18世纪中叶以来,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。至今,无论人类生活、科学技术活动以及物质生产活动都离不开电。电的研究涉及到广泛的领域,随着科学技术的发展,某些带有专门知识的研究内容逐渐独立,形成专门的学科,如电子学电工学等。电学本身限于电现象中较为基本的内容:电荷电流产生的电场和磁场及其相互作用的规律,电路的导电规律,以及物质中的电效应。电学又可称为电磁学,是经典物理学的一个分支。它是物理学中颇具重要意义的基础学科。

    发展简史

    电学吉伯在实验中制作了第一只验电器
    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2 000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“瑇瑁(玳瑁)吸(细小物体之意)”的记载;晋朝(公元 3世纪)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W.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,如金刚石、蓝宝石、硫磺、硬树脂和明矾等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” (elec-tric)。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 O·von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,使之停止而获得电。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W.霍耳茨和A.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S.格雷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 C.-F.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,认为吉伯把物体分为“电的”和“非电的”并没有事实根据。他把玻璃上产生的电叫做“玻璃的”(vitreous),琥珀上产生的电与树脂产生的相同,叫做“树脂的”(resinous)。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。他把电想象为二元流体,当它们结合在一起时彼此中和。

    1745年荷兰莱顿的P.van 穆申布鲁克为了避免电在空气中逐渐消失,寻找到一种保存电的办法,他所发明的装置即被称为莱顿瓶。这种贮存电的方法稍早也被德国的E·G·von 克莱斯特独立地发现。莱顿瓶的发现为电的进一步研究提供了条件,它对于电的知识的传播起了重要的作用。

    差不多同时,美国的B.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。他的最著名的实验是风筝实验。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。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P.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,J.普里斯特利根据他的实验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,两个电荷之间的作用力与它们之间距离的二次方成反比,但他未能予以证明。1769年,J.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,H.卡文迪什根据他实验中导体球内表面检测不到的电荷数量推算出电力与距离成反比的方次与 2相差最多不超过百分之二(见彩图)。他的这一实验是近代精确验证电力定律的雏形,可是他的这一实验以及其他重要实验成果到1879年才由J.C.麦克斯韦整理公诸于世。1785年,C.A.de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S.-D.泊松把早先力学中 P.S.M.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。  

    电学电学的研究开始进入科学行列
    18世纪后期电学的另一个重要的发展是意大利物理学家A.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L.伽伐尼偶然观察到在放电火花附近与金属相接触的蛙腿发生抽动。为了找出这一理象的原因,他进一步实验却意外地发现若用两种金属分别接触蛙腿的筋腱和肌肉,则当两种金属相碰对,蛙腿也会发生抽动。伽伐尼没有弄清楚其中的原因,他称之为“生物电”。1792年,伏打仔细研究之后,认为蛙腿的抽动不过是一种对于电流的灵敏反应,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,其装置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(见彩图)。当导线连接两端的导体时导线中产生持续电流。此后,各种化学电源蓬勃发展起来。1822年T.J.塞贝克进一步发现,将铜线和一根别种金属(铋)线连成回路,并维持两个接头于不同温度,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来。1800年A.卡莱尔和W.尼科尔森用低压电流分解水;同年J.W.里特成功地从水的电解中分别搜集了两种气体,并从硫酸铜溶液中电解出金属铜;1807年H.戴维利用庞大的电池组先后首次电解得到钾、钠、钙、镁等金属。1811年他用2 000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T.A.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W.von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1640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独立的作用。与这种传统观念相反,丹麦的自然哲学家H.C.奥斯特接受了德国哲学家I.康德和F.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A.-M.安培关于载流螺线管与磁铁等效性的实验(后来,安培据此提出物质磁性的分子电流假说,把磁现象归之为单一的电流的作用,这一点成为以后正确认识物质磁性的一把钥匙)和两根平行载流导线相互作用力的实验;D.F.J.阿喇戈关于钢和铁在电流作用下的磁化现象;J.-B.毕奥和 F.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W.斯特金发明电磁铁,为电的广泛应用创造了条件。早在1821年安培建议可用电磁仪器传输信号。1833年C.F.高斯和W.E.韦伯制造了第一台简陋的单线电报。1837年C.惠斯通和H.M.莫尔斯分别独立发明电报机。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。这时期越洋海底电报的实验研究也在进行。1855年W.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。另一方面的发展是1854年法国电报家C.布尔瑟提出用电来传送语言的设想,但未变成现实;后来,P.赖斯于1861年实验成功,但未引起重视。1876年A.G.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(碳发话机)以及D.E.休士的发明(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G.S.欧姆发现电路定律提供了条件。1826年,受到J.B.J.傅里叶关于固体中热传导理论的启发,认为电的传导和热的传导很相似,电流好像热流,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"(electroscopic force)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G.R.基尔霍夫从能量的角度考查,才澄清了电位差、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M.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(美国物理学家J.亨利几乎在同时也发现了电磁感应现象,但发表稍晚些)。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,Э.Χ.楞次于1834年给出感应电流方向的描述,而F.E.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,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,并统一解释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。他深信在带电体和磁体的周围存在着某种特殊的“紧张”状态,他用电力线和磁力线来描述这种状态。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极分别连结起来;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。早在1842~1854年,W.汤姆孙通过热传导、弹性现象和电磁力线的对比研究,建立了它们共同的数学描述。汤姆孙的类比方法鼓舞了麦克斯韦致力于将法拉第的力线思想写成便于数学处理的形式。开始(1856)他仅仅是通过力学现象与电磁现象的类比试图建立电磁学的理论体系;后来(1862)他觉得需要建立一种媒质理论来体现法拉第的力线思想。他认为变化的磁场在其周围的空间激发涡旋电场;此外他又引入了“位移电流”的概念,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,从而得到了今天以他的姓氏命名的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。

    电学电磁理论
    麦克斯韦进而根据他的方程组推论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。根据1856年韦伯和R.H.A.科尔劳施纯电学方法测量得到其值与光在真空中传播的速度相同,由此麦克斯韦预言光是电磁波

    麦克斯韦理论的推论和预言被德国物理学家H.R.赫兹的实验光辉地证实。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,并能够反射、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。1895年俄国的Α.С.波波夫和意大利的G.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C.F.布劳恩进一步将发射器分为两个振荡线路,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(1904年J.A.夫累铭;1906年L.德福雷斯特)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。

    虽然麦克斯韦的电磁理论对光在真空中的传播作了完备的描述,但它不能很好地揭示出物质的光学特性,特别是不能解释色散现象;此外,把电磁理论用于运动介质的情形也未获得成功。1896年H.A.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分裂的正常塞曼效应;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,真空中光速才严格与方向无关并等于c, 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A.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。  

    基本内容

    电学热电效应

    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  
    研究静止电荷产生电场及电场对电荷产生作用力的规律。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 q1q2之间作用力的大小与q1q2的乘积成正比,与它们之间的距离r的二次方成反比;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。用公式表示,q1q2的作用力 F12q2q1的作用力F21分别为 电学   (1)式中Fqr的单位分别为牛顿、库仑、米,惲12和惲21分别为由q1指向q2和由q2指向q1的单位矢量,εo为普适常数,叫做真空介电常数,其值为 εo=8.854187818×10-12 (法拉/米)。  

    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E(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:任意带电体在空间某点所产生的场强等于各点电荷单独存在时在该点产生的场强的矢量和。在带电体电荷分布已知情况下,根据库仑定律和场强叠加原理,原则上可以确定任意带电体所产生的场强分布。带电体产生的场强分布可用假想的电力线形象地图示。

    根据库仑定律和场强叠加原理还可得到静电场基本性质的两个定理:①高斯定理。静电场中电场强度沿任意闭合曲面的积分(称为电通量)等于该曲面包围的所有电荷电量代数和∑q除以εo,与闭合面外的电荷无关,

    电学。   (2)

    ②环量定理。静电场中场强沿任意闭合曲线的积分(称为环量)恒等于零

    电学。   (3)

    静电场中环量恒等于零表明,静电场中沿任意闭合路径移动电荷,电场所做的功都为零,因此静电场是非旋场,可以引入电位来描述:静电场中两点a和b的电位差Ua-Ub等于把单位正电荷由 a点沿任意路径移动到 b点,电场力所做的功

    电学,    (4)

    或者,电场强度等于电位梯度的负值,

    E=-墷U。    (5)

    式(4)和式(5)把描述静电场分布的场强和电位联系起来。带电体产生的电位分布可用等位面形象地图示,静电场中电力线总是与等位面正交。

    点电荷 q在电场中所受的作用力为fqE;点电荷在静电场中由 a点移动到b点,电场力所做的功为Aab=q(Ua-Ub)。根据这两个公式,可以计算任意带电体在电场中受到的作用力和移动时电场力所做的功,从而可以得知带电体在电场中的运动。

    通常的物质,按其导电性能的不同可分两种极端情况: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(严格地说,导体和绝缘体的区别应从量子理论的能带论来理解)。

    电学电学
    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:①导体是等位体,导体表面是等位面;②导体内部不带电荷,电荷只能分布在导体表面;③导体外表面附近的场强处处与导体表面垂直,场强的大小与导体表面的电荷面密度的关系为 Eσεo;④当空腔导体内部没有其他带电体时,导体空腔内表面处处没有电荷,电荷只能分布在外表面,空腔内部场强为零,空腔内部电位处处相等且等于导体的电位;⑤当导体空腔内部有其他带电体时,内表面静电感应的电荷与腔内电荷代数和为零;⑥接地的导体空腔把空间分成内外两个区域,在每个区域内电场的分布仅由该区域内的电荷分布决定,两个区域在电性质上互不干扰,接地导体空腔的这一性质称为静电屏蔽;⑦两个导体板靠得较近时,若一导体板上带电量为Q,则另一导体板上静电感应的电量为-Q,且两导体板之间的电位差与电量Q成正比,比例系数电学,反映了这两个导体组成系统的可容纳电荷的性质,称为电容,这个导体系统称为电容器(见电容和电容器)。

    在电场中,电介质被极化(见电介质的极化)。电介质极化的状况用极化强度矢量 P来描述。极化强度用单位体积内分子偶极矩的矢量和来定义。电介质极化后,介质表面和体内出现束缚的极化电荷。极化电荷与介质的极化强度有如下两种关系:①沿任意闭合曲面极化强度矢量的面积分等于闭合面所包围的极化电荷的负值,电学;②由此可推知,介质表面的极化电荷面密度等于极化强度矢量在介质表面的法线分量, σ┡=Pn=P·cosθ。这样,放入电场中的电介质将改变原来的电场分布。导体系中间填充电介质时电容值将改变。电介质存在时电场的高斯定理化为

    电学,    (6)

    式中qo为闭合面内的自由电荷,DεoEP叫做电位移。DE之间的关系由电介质的性质决定,这一关系通常称为物质的介质方程。介质存在时电场环量定理仍成立,即介质存在时的静电场仍为非旋场,可以引入电位概念。在电介质界面上电场满足的边值关系为:当界面无自由电荷时,界面上电位移的法线分量连续,电场强度的切线分量连续,即

    D1nD2nE1tE2t。    (7)

    静磁学  
    研究电流稳恒时产生磁场以及磁场对电流作用力的规律。 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,磁场对放置其中的电流施以作用力。电流产生的磁场用磁感应强度B描述。真空中稳恒电流产生的磁场遵从毕奥-萨伐尔定律,即磁感应强度

    电学,    (8)

    式中Idl是强度为I的电流元,r为电流元到场的距离,r为电流元指向场点的矢位,积分沿整个电流回路,μo为真空磁导率,其值为

    μo=4π×10-7 (亨利/米)。

    根据毕奥-萨伐尔定律,可计算任意已知电流分布产生的磁感应强度。此外,根据毕奥-萨伐尔定律还可得到稳恒磁场基本性质的两个定理:①磁高斯定理。稳恒磁场中磁感应强度沿任意闭合曲面的积分(称为磁通量)恒等于零

    电学,     (9)

    它反映磁力线总是闭合曲线。②安培环路定理。稳恒磁场中磁感应强度沿任意闭合曲线的积分等于穿过以闭合曲线为周界的任意曲面的电流强度代数和的μo

    电学,   (10)

    这表明磁场不是势场,是有旋场。

    当磁场中存在磁介质时,磁介质被磁化,产生磁化电流。介质磁化的状况用磁化强度矢量M来描述。磁化强度用单位体积内分子磁矩的矢量和来定义。磁化强度沿任意闭合曲线的积分等于穿过闭合曲线的磁化电流强度的代数和,电学。利用这一结果可将磁介质存在时的安培环路定理化为

    电学,    (11)

    式中 Io 为传导电流强度,电学叫做磁场强度。HB的关系由磁介质的性质决定,这种关系是关于磁的介质方程。在磁介质的界面上,磁场满足的边值关系为:当界面不存在面传导电流时,在界面上磁感应强度的法线分量连续,磁场强度的切线分量连续,即

    B1nB2nH1tH2t。   (12)

    电流元 Idl在磁场中受到的作用力由安培公式表示

    dFIdl×B,     (13)

    式中 B为电流元所在处的磁感应强度。整个载流导线所受的磁力则为该式对全部电流导线的积分。一个速度为v带电量为q的运动的点电荷在磁场中受到的作用力称为洛伦兹力,为

    Fqv×B。     (14)

    运动电荷所受的洛伦兹力总是与速度方向垂直,因此洛伦兹力对运动电荷所做的功恒为零。当同时存在电场和磁场时,运动电荷所受的洛伦兹力公式为

    Fq(E+v×B)。   (15)

    它决定了带电粒子在电磁场中的运动。

    电磁场  
    研究随时间变化情形下的电磁现象和规律。这是电磁学的普遍情形。 当穿过闭合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,即感应电流的方向总是使得它所激发的磁场阻止引起感应电流的磁通量的变化。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:闭合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,用公式表示为

    电学    (16)

    式中的负号反映感应电动势的方向,与楞次定律的结论一致。线圈内电流变化在其自身引起感应电动势的现象叫做自感;线圈内电流变化在其他线圈中引起感应电动势的现象叫做互感。线圈的自感和互感性质,分别由自感系数和互感系数描述。

    感应电动势按其产生的原因不同可分为两种情况:一种是因导线在稳恒磁场中运动切割磁力线产生的感应电动势,叫做动生电动势;另一种是导线不动,因磁场的变化产生的感应电动势,叫做感生电动势。

    感生电动势是变化的磁场在其周围激发电场的体现。这样产生的电场是有旋场,与电荷激发的电场不同,它的性质可表述为 电学。在非稳恒情形下,总的电场为电荷激发的电场与变化磁场激发的电场的矢量和,总电场满足的方程为

    电学,    (17)

    电学。   (18)

    随时间变化的电场在其周围也激发有旋的磁场。在非恒情形下,总的磁场为电流激发的磁场与变化电场激发的磁场的矢量和。总磁场满足的方程为

    电学,   (19)

    电学,   (20)

    式中 дD/дt称为位移电流密度。式(17)、(18)和(19)、(20)就是普遍情形下电磁场满足的麦克斯韦方程组(积分形式)。

    能量问题是物理学关心的重要问题。根据麦克斯韦电磁理论可知:电场中储存电能,单位体积内储存的电能(电能密度)为电学,磁场中储存磁能,单位体积内储存的磁能(磁能密度)为电学,同时存在电场和磁场的空间V 内储存的电磁能电学;电磁场中存在能流,单位时间通过垂直单位面积的能量叫做能流密度,用S表示,SE×HS又叫做坡印廷矢量。任意空间内发生的电磁过程遵从能量守恒定律。

    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、洛伦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(见经典电动力学)。

    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,电磁波在真空中传播的速度为

    电学

    这一数值与光在真空中传播的速度相同,说明光是电磁波,光是波长在400~760纳米范围内且能引起人们视觉反应的电磁波。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。稳恒时的电场与静电场的性质相同,同样满足静电场的高斯定理和环量定理。

    稳恒条件下电流必定形成闭合回路。静电场本身不可能维持稳恒电流,为了维持稳恒电流,电路中必定有非静电的电源。不管电源的具体机制如何,电源的作用是使非静电的能量转化为提高电荷的电位能。反映电源电性能的主要指标是电动势(即非静电力对单位电荷作功的值)和内阻。 稳恒条件下的导电基本规律为

    jσ(E+K),    (21)

    式中j为电流密度,E为该点的场强,K为该点作用在单位正电荷上的非静电力,σ为该点材料的电导率,式(21)称为欧姆定律的微分形式,它是物质的导电性方程。

    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其他有效而简便的定理: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。按照电流随时间变化的频率不同,复杂程度不同,可分以下几种情况。

    ① 交流电的频率f满足f电学с/l,式中с为真空中的光速,l为电路的线度,即电路的线度远小于电磁波的波长。此时位移电流的效果可以忽略,电磁波沿电路的传播效应可忽略,这种情况叫做准稳,这种电路叫准稳电路。条件f电学с/ll电学λ叫做准稳条件。准稳条件下,在集中元件的外部,电压概念仍然有效,直流电路的定律如欧姆定律、基尔霍夫定律等仍近似成立;电路的复杂性表电路中除了电阻之外,还可能有电感和电容,同时电路中的电压和电流之间存在位相差,从而带来一系列直流电路所没有的电路特性:谐波、滤波、相移等等,这些在实际中都有广泛的应用。准稳电路的计算方法是矢量图解法和复数解法。

    ② 当交流电的频率较高,准稳条件遭到破坏时,散布在空间的电磁场变化引起电路各部分的相互影响已不可忽略,这些影响可用分布电容和分布电感来表征。把它们看成等效的集中参量计入电路和方程之后,仍可近似地用准稳电路方程和概念来分析问题。

    ③ 交流电的频率更高,准稳条件遭到破坏,位移电流的效果和电磁波沿电路的传播效应不可忽略,则准稳电路方程和概念已不适用,原则上应该用麦克斯韦方程组讨论问题。但对于传输线主波可以引入分布电感、分布电容以及横向电压概念建立电报方程。用电报方程来讨论这种电路比起按麦克斯韦方程组来讨论要简单得多。

    电磁效应  

    电学爱因斯坦建立了狭义相对论
    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。今列举一些如下:电致伸缩(电场所引起的电介质的弹性形变,形变与电场方向的反转无关,见铁弹性)、压电效应(机械压力在电介质晶体上产生的电性和电极性,见压电性)和逆压电效应(在电场作用下电介质晶体发生的机械形变,形变与电场方向的反转有关)、塞贝克效应(两种不同金属或半导体组成的回路当两个接头处于不同温度时产生的电动势)、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,见温差电现象)、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,见半导体的光电导)、光生伏打效应(半导体材料因光照产生电位差)、克尔效应(非晶体在电场中显示的双折射现象),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  
    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(电流、电量、电压、电阻、电容、电感、电场强度、磁感强度、……)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,见电测量指示仪表)和测量电路(各种电桥和各种电位计等),它们可满足对各种电磁学量的测量。近代在电磁测量中广泛采用电子线路改善测量技术,提高测量的灵敏度、精度和仪器的稳定性;此外测量仪器和显示技术的改进,可连续记录或直接数字显示测量结果,还可实现远距离遥测,极大地改变了测量技术的面貌。

    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。

    意义/电学 编辑

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    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。一方面,物质的结构是物质分子、原子层次的基本组成形式;电磁场是物质世界的重要组成部分;电磁作用是物质的基本相互作用之一;电过程是自然界的基本过程。因此电学渗透到物理学的各个领域,成为研究物质过程必不可少的基础;此外它也是研究化学和生物学某些基元过程的基础。另一方面,电与其他运动形式之间的转化方便,传递迅速、准确,便于控制,由于这些优点,电技术在能源的合理开发、输送和使用方面起着重要作用,它使人类可更广泛、更有效、更方便地利用一切可以利用的能源。电技术在实现机电控制和自动化、在信息的传递、处理以及利用各种电效应实现非电量的电测方面也具有重要意义。可以说电学是技术学科的重要基础之一。 在科学和技术的不断发展中,电学的应用必定会有更为广阔的前程;同时,也必将更加丰富电学内容本身。

    20世纪随着原子物理学原子核物理学粒子物理学的发展,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(波粒二象性)。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(量子电动力学)。

    应用发展/电学 编辑

    有线通信

    有线通信的历史
    有人说科学技术是由于军事方面的需要而发展起来的,这种说法有一定的历史事实根据。
    英国害怕拿破仑进攻,曾用桁架式通信机向自己的部队进报法国军队的动向。瑞典,德国,俄罗斯等国家也以军事为目的,架设了由这类通信机组成的通信网,据说都曾投入了庞大的预算。
    将这种通信机改造成电通信方式的构想大概就是有线通信的开始。
    1. 有线通信的原理
    除了将前面所讲到的西林所发明的电磁式电报机以外,还有德国的简梅林发明的电化学式电报机,高斯和韦伯(德国)的电报机,库克和惠斯能(英国)的5针式电报机等。电报机的形式也是各种各样的,有音响式,印刷式,指针式,钟铃式等。其中,库克和惠斯通的5针式电报机最为有名。1837年,这种电报机曾通过架设在伦敦与西德雷顿之间长达20公里的5根电线而投入实际使用。
    2.莫尔斯电报机
    1837年,莫尔斯电报机在美国研制成功,发明人就是以莫尔斯电码而闻名的莫尔斯。莫尔斯电码是一种以点,划来编码的信号。
    莫尔斯本来是想当一名画家,他为此在伦敦留学。1815年,他在回美国的船上听了波士顿大学教授杰克逊关于电报的一席谈话,萌发了莫尔斯电码和电报机的构想。为了铺设电报线,莫尔斯成立了电磁-电报公司,并于1846年在纽约-波士顿,费城-匹兹堡,多伦多-布法罗-纽约之间开通了电报业务。
    莫尔斯的事业获得了极大成功,于是就在美国各地创办电报公司,电报业务逐渐扩大起来。
    1846年,莫尔斯电报机装上了音响收报机,使用也更加方便。
    3.电话和交换机
    1876年2月14日,美国的两位发明家贝尔和格雷分别递交了电话机专利的申请,贝尔的申请书比格雷的申请书早两个小时到达,因而贝尔得到了专利权。
    1878年,贝尔成立了电话公司,制造电话机,全力发展电话事业。
    从发展电话业务开始,交换机就担负着重要的任务。1877年前后的交换机称为传票式交换机,话务员收到通话请求,很把传票交给另一位话务员。
    其后,经过反复改进,开发出了框图式交换机,进而又开发出了自动交换方式(1879年)。
    1891年,史端乔式自动交换机研制成功。至此,自动交换的愿望就算实现了。之后研究仍在继续,又经过了几个阶段才达到如今市面上的电子交换机。
    4. 海底通信电缆
    陆上通信网日渐完备,人们开始考虑在海底敷设通信电缆来实现跨海国家之间的通信。1840年前后,惠斯通就已经考虑到了海底电缆的问题。
    海底电缆有很多问题需要解决,电缆的机械强度,绝缘及敷设方法都陆上电缆不同。
    1845年,英吉利海峡海底电报公司成立,开始了从英国到加拿大并跨过多佛尔海峡到达法国的海底电缆敷设工程。
    海底电缆敷设中碰到了电缆断裂等大难题,但敷设诲底电缆是时代的要求,各国都为此投稿了力量。
    1851年,最早的加来-多佛尔海底电缆敷设完毕,成功地实现了通信。以此为契机,欧洲周边和美洲东部周边也敷设了许多电缆。
    如今,世界上的大海里遍布着电缆,供通信使用。

    无线通信

    无线通信的历史
    世界上任何一个地区的信息都能显示在电视机上,这种方便是电波带给我们的。
    最早的电波实验是德国的赫兹在1888年进行的。通过实验,赫兹弄清了电波和光一样,具有直线传播,反射和折射现象。
    频率的单位赫兹就是来自他的名字。
    1.马可尼的无线电装置
    在杂志上读到过赫兹实验文章的意大利人马可尼,在1895年研制出了最早的无线电装置,利用这一装置在相隔大约3公里远的距离之间进行了莫尔斯电码通信实验。他想到了要把无线通信企业化,就成立了一个无线电报与信号公司。
    尽管马可尼在无线通信领域获得了诸多成功,但由于与海底电缆公司的利益相冲突,他想在纽芬兰设立无线电报局的事遭到了反对,马可尼的反对者还不在少数。
    2.高频波的产生
    要实现无线通信,首先要产生稳定的高频电磁波。
    达德尔采用由线圈和电容器构成的电路产生出了高频信号,但频率还不到50KHZ,电流也只有2~3A,比较小。
    1903年,荷兰的包鲁森利用酒精蒸气电弧放电产生出了1MHZ的高频波,彼得森又对其进行了改进,制成了输出功率达到1KW的装置。
    其后,德国设计出了机械式高频发生装置,美国的斯特拉和费森登,德国的戈尔德施米特等人开发出了用高频交流机产生高频波的方法等,很多科学家和工程师都曾致力于高频波发生器的研究。
    3.无线电话
    如果传送的不是莫尔斯信号而是人的语言,那就需要有运载有信号的载波。载波必须是高频波。
    1906年,美国通用电气(GE)公司的亚历山德森制成了80KHZ的高频信号发生装置,首次成功地进行了无线电话的实验。
    用无线电话传送语音,并且要收听它,这就需要有用于发送的高频信号发生装置和用于接收的检波器。费森登设计了一种多差式接收装置,并于1913年试验成功。
    达德尔设计出了以包鲁森电弧发送器为发送装置,以电解检波器为接收装置的受话器方式。在当时,由于都是采用火花振荡器,所以噪声很大,实验阶段可说是成功了,但离实用化还很远。
    要想使产生的电波稳定,接收到的噪声小,还得等待电子管的出现。
    4.二极管和三极管
    1903年,爱迪生发现从电灯泡的热丝上飞溅出来的电子把灯泡的一部分都熏黑了,这种现象被称为爱迪生效应。
    1904年,弗莱明从爱迪生效应得到启发,造出二极管,用它来进行检波。
    1907年,美国的D。福雷斯特在二极管的阳极和阴极之间又加了一个叫做栅极的电极,发明了三极管。
    这种三极管既可以用于放大信号电压,也可以配以适当的反馈电路产生稳定的高频信号,可说是一个划时代的电路元件。
    三极管经过进一步的改进,能够产生短波,超短波等高频信号。此外,三极管具有能控制电子流的功能,随后出现的阴极射线管和示波器与此有密切的关系。
    5.电池的历史
    1790年,伽伐尼根据解剖青蛙实验提出了“动物电”,以此为开端,伏打发现了两种金属接触就有电产生的规律,可以说这就是电池的起源。
    1799年,伏打在铜和锌之间夹入一层浸透盐水的纸,再把它们一层一层地迭起来,制成了“伏打电堆”。“电堆”的意思就是指把许多单个电池单元高高地堆在一起。
    (1)一次电池
    一次电池放完电后不能再用的电池称为一次电池。伏打对伏电电堆做了改进,制成了伏打电池。
    1836年,英国人丹尼尔在陶瓷桶里放入阳极和氧化剂,制成了丹尼尔电池。与伏打电池相比,丹尼尔电池能长时间提供电流。
    1868年,法国的勒克朗谢公布了勒克朗谢电池,1885年(明治18年)日本的尾井先藏发明了尾井乾电池。尾井乾电池是一种把电解液吸附在海绵里的特殊电池,具有搬运方便的特点。
    1917年,法国的费里发明了空气电池,1940年,美国的鲁宾发明了水银电池。
    (2)二次电池
    放完电还可以充电再用的电池称为二次电池。1859年,法国的普朗泰发明了能够反复充电使用的铅蓄电池,其结构是稀硫酸中装有铅电极,这是最早的二次电池。如今,汽车里使用的就是这种类型的电池。
    1897年(明治30年),日本的岛津源藏开发出了具有10A*H容量的铅蓄电池,并把他本人名字GENZO SIMAZU的字头GS作为商品名称,取名为GS电池投放市场。
    1899年,瑞典的容纳制成了容纳电池,1905年爱迪生制成了爱迪生电池。这些电池的电解液都用的是氢氧化钾,后来就被称为碱性电池。
    1948年,美国的纽曼发明了镍镉电池。这是一种能充电的乾电池,是具有划时代意义的电池。
    (3)燃料电池
    1939年,英国人格罗夫发现氧和氢的反应中有电能产生,并由实验证明了燃料电池的可能性。也就是说,电解水的时候消耗了电能而生成了氧和氢,反过来,从外部给阳极一侧送入氧,给阴极一侧送入氢,就能够产生电能和水。
    格罗夫当时只是做了实验,并未实用化。1958年,剑桥大学(英国)制成了5KW的燃料电池。
    1965年,美国GE公司成功地开发出了燃料电池,这个电池就安装在1965年的载人飞船双子星5号上,用于供给宇航员饮用水的飞船电能。1969年登上月球的阿波罗11号飞船上的电源也使用了燃料电池作为飞船内电源。
    (4)太阳能电池
    1873年,德国人西门子发明了用硒和铂丝制成的光电池。新型照相机曝光表上所用的就是这种硒光电池。
    1945年,美国的夏品发明了硅太阳能电池,这是一种当太阳光或灯光照到其PN结上时能产生电能的元件,广泛用于人造卫星,太阳能汽车,钟表,台式计算器等。提高这种元件转换效率的研究与开发工作仍在进行中。
    6.照明的历史
    18世纪60年代由英国兴起的产业革命使工厂进入了连续加工,批量生产的时代,夜间照明成了重要问题。
    前面已经讲过,英国人戴维1815年曾做过用2000个伏打电池产生电弧的有名实验。
    (1)白炽灯泡
    1860年,英国人斯旺把棉线碳化后做成灯丝装入玻璃泡里,发明了碳丝灯泡。
    然而,由于当时的真空技术不高,点灯时间不能过长,时间一长,灯丝就会在灯泡里氧化而烧掉。
    斯旺所想到的白炽灯泡的原理是如今市面上的白炽灯的起源。随着灯丝研究和真空技术的进步,白炽灯最终达到了实用化。从这点不说,斯旺的发明是一项大发明。
    1865年,施普伦格尔为研究真空现象而开发出水银真空泵。斯旺知道这件事后,就在1878年把玻壳内的真空度提高,又在灯丝上下了一番功夫。他先把棉线用硫酸处理,然后再碳化,最后,他公布了斯旺灯泡。斯旺的白炽灯泡曾在巴黎万国博览会上展出。
    1879年,美国的爱迪生成功地把白炽灯泡的寿命延长到了40小时以上。1880年,爱迪生发现竹子是做白炽灯灯丝的优良材料,就把日本,中国,印度的竹子收集起来反复进行实验。
    爱迪生把部下穆尔派到日本,在京都的八幡寻找优质竹子,若乾年后,用八幡竹子制造出了灯丝。为了制造这种竹灯丝的灯泡,1882年他在伦敦和纽约成立了爱迪生电灯公司。
    在日本,1886年(明治19年)东京电灯公司成立,明治22年起,一般的家庭开始用上了白治灯泡。
    1910年,美国的库利厅用钨丝做灯丝,发明了钨丝灯泡。
    1913年,美国的兰米尔在玻壳里充入气体以防止灯丝蒸发,发明了充气钨丝灯泡。
    1925年,日本的不破橘三发明了内壁磨砂灯泡。
    1932年,日本的三浦顺一发明了双螺旋钨丝灯泡。
    正是由于上述的不断探索,今天我们才能享受白炽灯照明的日常生活,想起来真是漫漫长路啊。
    (2)放电灯
    1902年,美国的休伊兹特在玻壳内装入水银蒸气,发明了弧光放电汞灯。由于这种汞灯在汞蒸气的气压较低时发出了紫外线较多,所以常作为杀菌灯使用。而当水银气压较高时,可发出很强的可见光。
    现广泛用于广场照明和道路照明的高压汞灯所发出的光是一种混合光,混合光包括水银电弧放电的光和紫外线照到涂敷在玻壳内壁的荧光材料上所发出的光。
    1932年,荷兰菲利浦公司开发出了波长为590nm单色的钠灯,这种灯广泛用于公路的隧道照明。
    1938年,美国的英曼发明了当年广泛使用的荧光灯。这种灯通过用水银电弧放电发出的紫外线照射涂敷在灯管内壁的不同荧光粉而发出不同颜色的光。通常,白色荧光灯用得最多。
    7.电力设备的历史
    可以说,1820年奥斯特所发现的电磁作用就是电动机的起源。
    而1831年法拉第所发现的电磁感应就是发电机的变压器的起源。
    (1)发电机
    1832年,法国人毕克西发明了手摇式直流发电机,其原理是通过转动永磁体使磁通发生变化而在线圈中产生感应电动势,并把这种电动势以直流电压形式输出。
    1866年,德国的西门子发明了自励式直流发电机。
    1869年,比利时的格拉姆制成了环形电枢,发明了环形电枢发电机。这种发电机是用水力来转动发电机转子的,经过反复改进,于1847年得到了3。2KW的输出功率。
    1882年,美国的戈登制造出了输出功率447KW,高3米,重22吨的两相式巨型发电机。
    美国的特斯拉在爱迪生公司的时候就决心开发交流电机,但由于爱迪生坚持只搞直流方式,因此他就把两相交流发电机和电动机的专利权卖给了西屋公司。
    1896年,特斯拉的两相交流发电机在尼亚拉发电厂开始劳动营运,3750KW,5000V的交流电一直送到40公里外的布法罗市。
    1889年,西屋公司在俄勒冈州建设了发电厂,1892年成功地将15000伏电压送到了皮茨菲尔德。
    (2)电动机
    1834年,俄罗斯的雅可比试制出了由电磁铁构成的直流电动机。1838年,这种电动机开动了一艘船,电动机电源用了320个电池。此外,美国的文波特和英国的戴比德逊也造出了直流电动机(1836年),用作印刷机的动力设备。由于这些电动机都以电池作为电源,所以未能广泛普及。
    1887年,前面所讲过的特斯拉两相电动机作为实用化感应电动机的发展计划开始启动。1897年,西屋公司制成了感应电动机,设立专业公司致力于电动机的普及。
    (3)变压器
    发电端在向外输送交流电的时候,要先把交流电压升高,到了用电端,又得把送来的交流电压降低。因此,变压器是必不可少的。
    1831年,法拉第发现磁可以感应生成电,这就是变压器诞生的基础。
    1882年,英国的吉布斯获得了“照明与动力用配电方式”专利,其内容就是将变压器用于配电,当时所用的变压器是磁路开放式变压器。
    西屋引进了吉布斯的变压器,经过研究,于1885年开发出了实用的变压器。
    此外,在此前一年的1884年,英国的霍普金森制成了闭合磁路式变压器。
    (4)电力设备和三相交流技术
    两相交流电是用四根电线输电的技术。德国的多勃罗沃尔斯基在绕组上想出了窍门,从绕组上每隔120度的三个地方引出抽头,得到了三相交流电。1889年,利用这种三相交流电的旋转磁场,制成了功率为100W的最早的三相交流电动机。
    同年,多勃罗沃尔斯基又开发出了三相四线制交流接线方式,并在1891年的法兰克福输电实验(150VA三相变压器)中获得了圆满成功。
    8.电子电路元器件的历史
    当代,是包括计算机在内的电子学繁荣昌盛的时代,其背景与电子电路元器件由电子管-晶体管=集成电路的不断发展有着密切的关系。
    (1)电子管
    电子管是沿着二极管-三极管-四极管-五极管的顺序发明出来的。
    二极管:前面曾经讲过,爱迪生发现了电灯泡灯丝发射电子的“爱迪生效应”。1904年,英国人弗莱明受到“爱迪生效应”的启发,发明了二极管。
    三极管:1907年,美国的福雷斯特发明了三极管。当时,真空技术尚不成熟,三极管的制造水平也不高。但在反复改进的过程中,人们懂得了三极管具有放大作用,终于拉开了电子学的帷幕。
    振荡器也从上面所讲过的马可尼火花装置发展为三极管振荡器。三极管有三个电极,阳极,阴极和设置在二者之间的控制栅极,这个控制栅极是用来控制阴极所发射的电子流的。
    四极管:1915年,英国的朗德在三极管的控制栅极与阳极之间又加了一个电极,称为帘栅极,其作用是解决三极管中流向阳极的电子流中有一部分会流到控制栅极上去的问题。
    五极管:1927年,德国的约布斯特在阳极与帘栅极之间又加了一个电极,发明了五极管。新加的电极被称为抑制栅。加入这个电极的原因是:在四极管中,电子流撞到阳极上时阳极会产生二次电子发射,抑制栅就是为抑制这种二次电子发射而设置的。
    此外,1934年美国的汤绿森通过对电子管进行小型化改进,发明了适用于超短波的橡实管。
    管壳不用玻璃而采用金属的ST管发明于1937年,经小型化后的MT管发明于1939年。
    (2)晶体管
    半导体器件大致分为晶体管和集成电路(IC)两大部分。第二次世界大战后,由于半导体技术的进步,电子学得到了令人瞩目的发展。
    晶体管是美国贝尔实验室的肖克莱,巴丁,布拉特在1948年发明的。
    这种晶体管的结构是使两根金属丝与低掺杂锗半导体表面接触,称为接触型晶体管。
    1949年,开发出了结型晶体管,在实用化方面前进了一大步。
    1956年开发出了制造P型和N型半导体的扩散法。它是在高温下将杂质原子渗透到半导体表层的一种方法。1960年开发出了外延生长法并制成了外延平面型晶体管。外延生长法是把硅晶体放在氢气和卤化物气体中来制造半导体的一种方法。
    有了半导体技术的这些发展,随之就诞生了集成电路。
    (3)集成电路
    大约在1956年,英国的达马就从晶体管原理预想到了集成电路的出现。
    1958年美国提出了用半导体制造全部电路元器件,实现集成电路化的方案。
    1961年,得克萨斯仪器公司开始批量生产集成电路。
    集成电路并不是用一个一个电路元器件连接成的电路,而是把具有某种功能的电路“埋”在半导体晶体里的一个器件。它易于小型化和减少引线端,所以具有可靠性高的优点。
    集成电路的集成度在逐年增加。元件数在100个以下的小规模集成电路,100~1000个的中规模集成电路,1000~100000个大规模集成电路,以及100000个以上的超大规模集成电路,都已依次开发出来,并在各种装置中获得了广泛应用。

    初中电路知识/电学 编辑

    电学知识总结
    一、电路

    电学电学
    电流的形成:正电荷的定向移动形成电流。
    电流的方向:从电源正极流向负极。
    电源:提供电压的装置。
    电源是把其他形式的能转化为电能.如干电池是把化学能转化为电能。发电机则由机械能转化为电能。
    有持续电流的条件:必须有电源且电路须闭合。
    导体:容易导电的物体叫导体.如:金属,人体,大地,酸碱盐水溶液等。
    绝缘体:不容易导电的物体叫绝缘体。如:玻璃,陶瓷,塑料,油,纯水等。
    电路组成:由电源,导线,开关和用电器组成.
    电路有三种状态:(1)通路:接通的电路叫通路;(2)开路:断开的电路叫开路,也叫断路;(3)短路:直接把导线接在电源两极上的电路叫短路。
    电路图:用符号表示电路连接的图叫电路图。
    串联:把元件逐个顺序连接起来,叫串联。(任意处断开,电流都会消失)
    并联:把元件并列地连接起来,叫并联.(各个支路是互不影响的)
    二、电流
    国际单位:安培(A);常用:毫安(mA),微安( A),1安培=1 000毫安=1 000 000微安。
    测量电流的仪表是:电流表,它的使用规则是:①电流表要串联在电路中;②电流要从"+"接线柱入,从"-"接线柱出;③被测电流不要超过电流表的量程;④绝对不允许不经过用电器而把电流表连到电源的两极上。
    实验室中常用的电流表有两个量程:①0~0.6安,每小格表示的电流值是0.02安;②0~3安,每小格表示的电流值是0.1安。
    三、电压
    电压(U):电压是使电路中形成电流的原因,电源是提供电压的装置。
    国际单位:伏特(V);常用:千伏(KV),毫伏(mV).1千伏=1 000伏=1000 000毫伏。
    测量电压的仪表是:电压表,使用规则:①电压表要并联在电路中;②电流要从"+"接线柱入,从"-"接线柱出;③被测电压不要超过电压表的量程;
    实验室常用电压表有两个量程:①0~3伏,每小格表示的电压值是0.1伏;
    ②0~15伏,每小格表示的电压值是0.5伏。
    熟记的电压值:①1节干电池的电压1.5伏;②1节铅蓄电池电压是2伏;③家庭照明电压为220伏;④安全电压是:不高于36伏;⑤工业电压380伏。
    四、电阻
    电阻(R):表示导体对电流的阻碍作用。(导体如果对电流的阻碍作用越大,那么电阻就越大,而通过导体的电流就越小).
    国际单位:欧姆(Ω);常用:兆欧(MΩ),千欧(KΩ);1兆欧=1000千欧;
    1千欧=1000欧。
    决定电阻大小的因素:材料,长度,横截面积和温度(R与它的U和I无关).
    滑动变阻器:
    原理:改变电阻线在电路中的长度来改变电阻的。
    作用:通过改变接入电路中的电阻来改变电路中的电流和电压。
    铭牌:如一个滑动变阻器标有"50Ω 2A"表示的意义是:最大阻值是50Ω,允许通过的最大电流是2A.
    正确使用:a,应串联在电路中使用;b,接线要"一上一下";c,通电前应把阻值调至最大的地方。
    五、 欧姆定律
    欧姆定律:导体中的电流,跟导体两端的电压成正比,跟导体的电阻成反比。
    公式:式中单位:→安(A);→伏(V);→欧(Ω).
    公式的理解:①公式中的,和必须是在同一段电路中;②,和中已知任意的两个量就可求另一个量;③计算时单位要统一。
    欧姆定律的应用:
    ①同一电阻的阻值不变,与电流和电压无关,其电流随电压增大而增大。()
    ②当电压不变时,电阻越大,则通过的电流就越小。()
    ③当电流一定时,电阻越大,则电阻两端的电压就越大.()
    电阻的串联有以下几个特点:(指,串联,串得越多,电阻越大)
    ①电流:(串联电路中各处的电流相等)
    ②电压:(总电压等于各处电压之和)
    ③电阻:(总电阻等于各电阻之和)如果n个等值电阻串联,则有R总=nR
    ④分压作用:=;计算,,可用:;
    电阻的并联有以下几个特点:(指R1,R2并联,并得越多,电阻越小)
    ①电流:I=I1+I2(干路电流等于各支路电流之和)
    ②电压:U=U1=U2(干路电压等于各支路电压)
    ③电阻:(总电阻的倒数等于各电阻的倒数和) 1/R总=1/R1+1/R2+1/R3+....+1/Rn
    ④分流作用:;计算I1,I2可用:;
    ⑤比例关系:电压:U1:U2=1:1,(Q是热量)
    六、电功和电功率
    1. 电功(W):电能转化成其他形式能的多少叫电功,
    2.功的国际单位:焦耳.常用:度(千瓦时),1度=1千瓦时=3.6×10^6焦耳。
    3.测量电功的工具:电能表
    4.电功公式:W=Pt=UIt(式中单位W→焦(J);U→伏(V);I→安(A);t→秒).
    利用W=UIt计算时注意:①式中的W.U.I和t是在同一段电路;②计算时单位要统一;③已知任意的三个量都可以求出第四个量。还有公式:=I2Rt
    电功率(P):表示电流做功的快慢。国际单位:瓦特(W);常用:千瓦
    公式:式中单位P→瓦(w);W→焦;t→秒;U→伏(V),I→安(A)
    利用计算时单位要统一,①如果W用焦,t用秒,则P的单位是瓦;②如果W用千瓦时,t用小时,则P的单位是千瓦。
    10.计算电功率还可用右公式:P=I2R和P=U2/R
    11.额定电压(U0):用电器正常工作的电压。另有:额定电流
    12.额定功率(P0):用电器在额定电压下的功率。
    13.实际电压(U):实际加在用电器两端的电压。另有:实际电流
    14.实际功率(P):用电器在实际电压下的功率
    当U > U0时,则P > P0 ;灯很亮,易烧坏.
    当U < U0时,则P < P0 ;灯很暗,
    当U = U0时,则P = P0 ;正常发光。
    15.同一个电阻,接在不同的电压下使用,则有;如:当实际电压是额定电压的一半时,则实际功率就是额定功率的1/4.例"220V100W"如果接在110伏的电路中,则实际功率是25瓦。)
    16.热功率:导体的热功率跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻成正比。
    17.P热公式:P=I^2Rt (I平方RT),(式中单位P→瓦(W);I→安(A);R→欧(Ω);t→秒。)
    18.当电流通过导体做的功(电功)全部用来产生热量(电热),则有:热功率=电功率,可用电功率公式来计算热功率。(如电热器,电阻就是这样的。)
    七、生活用电
    家庭电路由:进户线(火线和零线)→电能表→总开关→保险盒→用电器。
    所有家用电器和插座都是并联的.而用电器要与它的开关串联接火线。
    保险丝:是用电阻率大,熔点低的铅锑合金制成。它的作用是当电路中有过大的电流时,它升温达到熔点而熔断,自动切断电路,起到保险的作用。
    引起电路电流过大的两个原因:一是电路发生短路;二是用电器总功率过大.
    安全用电的原则是:①不接触低压带电体;②不靠近高压带电体。
    八、电和磁
    磁性:物体吸引铁,镍,钴等物质的性质。
    磁体:具有磁性的物体叫磁体。它有指向性:指南北.
    磁极:磁体上磁性最强的部分叫磁极。
    任何磁体都有两个磁极,一个是北极(N极);另一个是南极(S极)
    磁极间的作用:同名磁极互相排斥,异名磁极互相吸引。
    磁化:使原来没有磁性的物体带上磁性的过程。
    磁体周围存在着磁场,磁极间的相互作用就是通过磁场发生的.
    磁场的基本性质:对入其中的磁体产生磁力的作用。
    磁场的方向:小磁针静止时北极所指的方向就是该点的磁场方向。
    磁感线:描述磁场的强弱,方向的假想曲线。不存在且不相交,北出南进.
    磁场中某点的磁场方向,磁感线方向,小磁针静止时北极指的方向相同。
    地磁的北极在地理位置的南极附近;而地磁的南极则在地理的北极附近。但并不重合,它们的交角称磁偏角,中国学者沈括最早记述这一现象。
    奥斯特实验证明:通电导线周围存在磁场。
    安培定则:用右手握螺线管,让四指弯向螺线管中电流方向,则大拇指所指的那端就是螺线管的北极(N极).
    通电螺线管的性质:①通过电流越大,磁性越强;②线圈匝数越多,磁性越强;③插入软铁芯,磁性大大增强;④通电螺线管的极性可用电流方向来改变。
    电磁铁:内部带有铁芯的螺线管就构成电磁铁。
    电磁铁的特点:①磁性的有无可由电流的通断来控制;②磁性的强弱可由改变电流大小和线圈的匝数来调节;③磁极可由电流方向来改变。
    电磁继电器:实质上是一个利用电磁铁来控制的开关。它的作用可实现远距离操作,利用低电压,弱电流来控制高电压,强电流。还可实现自动控制。
    电话基本原理:振动→强弱变化电流→振动。
    电磁感应:闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时,导体中就产生电流,这种现象叫电磁感应,产生的电流叫感应电流。应用:发电机
    感应电流的条件:①电路必须闭合;②只是电路的一部分导体在磁场中;③这部分导体做切割磁感线运动.
    感应电流的方向:跟导体运动方向和磁感线方向有关。
    发电机的原理:电磁感应现象。结构:定子和转子。它将机械能转化为电能.
    磁场对电流的作用:通电导线在磁场中要受到磁力的作用。是由电能转化为机械能。应用:电动机。
    通电导体在磁场中受力方向:跟电流方向和磁感线方向有关.
    电动机原理:是利用通电线圈在磁场里受力转动的原理制成的。
    换向器:实现交流电和直流电之间的互换。
    交流电:周期性改变电流方向的电流。
    直流电:电流方向不改变的电流。

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