第二章 电的精彩世界

电的世界是多姿多彩的，这里有电子、粒子、电场、电荷、电导体、直流电、交流电等成员。它们如同人类社会一样，上演了一出出精彩无比的故事。
 
电　子
电子是一种自然界的基本粒子，它不仅是构成物质的组成部分，而且是形成电流的基本单元，以及电荷的最终携带者。如果说电流是一条河，那么电子就是那千千万万颗微小的水滴。电子的发现打破了原子不可分割的说法，从此科学家研究的领域扩展到了原子内部。
金属中有许多可移动的电子，在低温下，只有极少数的电子能够摆脱金属内的静电吸引力，但只要将金属稍微加热。便会有许多电子获得“自由”而逃到空气中。
电子在我们的生活中有很大的用处。电视机屏幕上的许多小方块格子里都涂有荧光粉，电视机后面的管子里可以发出电子，撞击荧光粉，使荧光粉发出不同的颜色，让我们看到影像。
带正电的粒子
原子是由更小的粒子组成的，既然电子带负电，中子不带电，而原子呈电中性，那么很明显，有一种粒子是带正电的。
20世纪初，英国科学家卢瑟福发现带正电的粒子与原子的大部分质量一起都集中在很小的原子核内，这便是正电的来源——质子。
20世纪30年代，卢瑟福的学生查德威克发现原子中还有一种不带电的粒子——中子，它的质量几乎与质子一样，与质子一起构成原子核。
科学家在发现质子后，就以为原子是由电子和质子组成的，但是后来发现质子只占原子重量的一半，所以卢瑟福认为原子中还存在一种粒子，他称之为中子。后来，他的学生查德威克果然发现了中子。
电　压
在一个闭合的电路中，电源的正极聚集着正电荷，负极聚集着负电荷，这样一来，正负极间便会产生电压。电压迫使电子由负极流向正极。
不同的用电器需要不同的电压，所以有一种设备可以改变电压，这就是变压器。变压器由两个缠绕着电线的铁芯组成，它可以按照一定比率增加或降低电压。电压的大小主要由电路中的电流和电阻的大小决定。
 
电　流
电荷常常被比做是看不见的液体，而电流就是这种“液体”的流动。
电流可分为直流电和交流电两种，电流大小和方向都固定不变的电流叫直流电，它有固定的正极和负极；大小和方向都随时变化的电流叫交流电。我们通常所用的220伏家庭用电就是交流电。
电流的大小对用电器影响很大，如果电流的强度不够，用电器就无法正常工作。不过在一般情况下，加载在一段导体上的电压越大，这个导体上通过的电流就越大。
电流的路线
电流和水流一样，也需要路线来行走，才能发挥自己的力量，这样的路线就是电路。
电路有串联和并联两种。串联电路是把电池的正负极用导线连接起来，中间再加个灯泡。串联电路没有分叉。有分叉的电路则是并联电路，在我们的日常生活中，并联电路是用途最广的电路连接方式。
电路中基本的构成组件是电源、用电器和开关，把这些组件用导线连接起来就组成了一个电路。
我们出行时，无论是步行还是驾车，都要遵守交通规则。电流在电路中运行也要遵守它们的“交通规则”。比如，当电路被断开后，它们就要停下来。科学家通过研究发现，在电路中电流最喜欢走阻碍最小的路。
如果电路中电位不同的两点直接碰接或被阻抗非常小的导体接通时，就会发生危险的短路。在短路电流忽然增大时，会在瞬间释放很大的热量，这些热量大大超过线路正常工作时的发热量，能把导线的绝缘外皮烧毁、金属熔化，甚至引发火灾。
人们为了研究和工程的需要，会用约定的符号绘制一种表示电路结构的图形，这就是电路图。它主要由元件符号、连线、结点、注释四大部分组成，通过它就可以知道实际电路的情况。
无形的电场
人们发现，在带电体周围存在一个电场，只要存在电场，带电物体就会受到力的作用。
电场的本质是对放入其中的电荷有作用力，只要电荷进入它的“地盘”，就会受到作用力，这种力就叫做电场力。电场力和电荷的比值可以衡量电场的强度，产生电场的带电体电荷越强，场强就越大。
为了形象地描述电场场强的变化，人们在电场中画出一些有方向的曲线，这种曲线就是电场线。从电场线的指向和密集程度，就可以判定场强的方向和大小。
静止的电荷、运动的电荷以及变化的磁体，都具有电场。静止电荷产生稳定的静电场，而运动电荷或变化的磁体会产生感应电场。和静电场不同，感应电场的电场线没有起点和终点。
直 流 电
直流电，是指方向和时间不作周期性变化的电流，它是由爱迪生发现的。直流电主要应用于各种电子仪器、电解、电镀、直流电力拖动等方面。人们可以通过直流发电机或整流获得直流电。
直流发电机是把机械能转化为直流电能的机器，它的工作原理是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势。
直流电的工作原理是：直流电所通过的电路称直流电路，是由直流电源和电阻构成的闭合导电回路。在该电路中，形成恒定的电场。在电源外，正电荷经电阻从高电势处流向低电势处，在电源内，靠电源的非静电力的作用，克服静电力，再从低电势处到达高电势处，如此循环，构成闭合的电流线。所以，在直流电路中，电源的作用是提供不随时间变化的恒定电动势，为在电阻上消耗的焦耳热补充能量。
交流电的方向会随时间作周期性变化，而直流电的方向则不随时间而变化。直流电通常又分为脉动直流电和稳恒电流。脉动直流电中有交流成分，可通过电容去除。稳恒电流则是比较理想的，其大小和方向都不变。
 
电　阻
我们如果在平滑的公路上骑自行车会感觉很轻松，但如果在崎岖的山路上骑自行车，就会感觉非常困难，这是因为阻力大。同样，电流通过导体时也会遇到阻力，这种阻力叫电阻。
电阻是一个耗能元件，电流经过电阻会受到一定的损耗。
电阻的大小与导体的材料、长度、横截面积有关，但是，如果用特殊的材料制作电阻器件，会使材料电阻率的大小与某一物理量的变化发生显著的变化。压敏电阻、光敏电阻、热敏电阻的电阻率分别随电压、光强、温度的变化而显著变化，它们主要用于开关电源、集成电路、可控硅以及电子线路的抑制浪涌电流、过电压保护等。
为了能够灵活地改变电阻值而改变电路中电流的大小，科学家发明了变阻器。我们晚上用的台灯有些可以通过旋转开关按钮调节灯光的明暗，其实这就是一个变阻器。
电阻的形式多种多样，滑动变阻器是其中重要的一种，它的电阻能在一定范围内连续变化。变阻箱可以改变接入电路的电阻，它的阻值可以根据箱的面板的指数读出。电位器是一种可调的电子元件，它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。如调节电视机音量的开关就是电位器。
电 导 体
容易让电流通过的物体称为电导体。常见的电导体有金属、石墨、电解液等。人体、大地，以及酸、碱、盐的水溶液等也都是电导体。而金属的导电性能最好，应用也最广泛。
在金属中，部分“淘气”的电子能够脱离原子核的束缚而在金属内部自由移动，这种电子叫做自由电子。当电流通过时，这些电子会形成规则的定向移动，从而成为电的通道。
只有通过导体，电力才能从电厂传输到千家万户，也只有导体才可以把电能转化成其他形式的能量，比如热能或机械能。
所有金属都是导电的，但它们的导电性能有优劣之分，主要的金属导体有金、银、铜、铝、铁、锡以及一些合金等，银是最优良的电导体，但它太昂贵了，因此只用在特殊地方作为导体。
而不容易导电的物体则是绝缘体，橡胶、玻璃、陶瓷、塑料、油等都是绝缘体。
其实，电导体和绝缘体是相对的，某些物体在电压较低时，电流不容易通过，当电压高到一定的程度时，也有可能有较大的电流通过。另外，某种绝缘性能很好的绝缘体在某些时候也会成为导体，如老化的塑料或橡胶、潮湿的木块、熔融的玻璃，空气在强电场时容易被击穿，很高的电压也容易击穿电介质等。玻璃在一般情况下为绝缘体，但在熔融状态下却容易成为导体。
电　泳
在电场中，带电的小物体向阴极或阳极迁移，迁移的方向取决于它们带电的符号，带正电的向负极迁移，带负电的向正极迁移。这种迁移现象就是电泳。
将装着石子和清水的杯子倒在细网上就会把水分离出来，这是因为水可以通过网眼，而石子则不能。带电的小物体在电场中也可以被分离，这是因为带电小物体的带电量不同，经过一定时间后，由于移动速度不同而相互分离。
按分离原理的不同，电泳分为移动界面电泳、区带电泳、等电聚焦电泳和等速电泳四种。
除了用于小分子物质的分离分析外，电泳还主要用于蛋白质、核酸、酶，甚至病毒与细胞的研究。某些电泳设备在化学、医学、微生物学等各个领域也得到了广泛应用。
 
三相交流电源
交流电源不仅在民用领域使用广泛，而且也广泛应用于工业与商业领域。
交流发电机运用了电磁感应原理，它利用三个匝数相同彼此在空间相距120°的线圈在磁场中旋转，若以匀速按顺时针方向转动时，则每相绕组依次被磁力线切割，就会在三个线圈中分别产生频率相同、幅值相等的正弦交流电动势。
交流发电机由定子和转子两部分组成。转子是磁极；定子由电枢铁芯，均匀排放的三相绕组及机座和端盖等组成。
三相三线制是三相交流电源的一种连接方式，它是从发电机的三个线圈引出三根导线对负载供电。三角形连接采用三相三线制。
在星形接线的三相四线制中，除从三个线圈端头引出三根导线外，还从三个线圈尾端的连接点上再引出一根导线，计四根导线对外供电叫三相四线制供电。与三相电源相似，三相交流电路负载也有两种连接方式：星形连接和三角形连接。
在三相四线制供电系统中，中线不允许断开，同时规定中线内不准入保险丝。
荡秋千的电荷
18世纪中叶时，人们发明了莱顿瓶。莱顿瓶实际上就是里外都贴了一张金箔的玻璃瓶，后来因为不一定要把它做成瓶子的形状，中间也不一定要隔一层玻璃，因此慢慢地，大家就把这种装电的容器叫做“电容器”。
电容器装满电之后，两片金箔或者两块金属板上就分别带上了正、负两种电荷，我们把它们叫作正极板和负极板。正、负电荷是要互相吸引的，因为隔了一层玻璃、云母、蜡纸之类的绝缘物质，无路可通，所以不能跑到一起去。如果使用一根导线做成的线圈跨接到电容器的两块极板上，那么电荷就可以沿着导线畅通无阻了。这种运动的电荷是电子。电荷通过导线的时候，导线中就有了电流。
导线中通过的是变化的电流。变化的电流就会产生相应的磁场，因此线圈的磁场慢慢地强起来，又渐渐地弱下去。这是变化的磁场。
变化的磁场是会引起电流的。这个电流使正负极板上的电荷中和之后还不肯罢休，它使过多的电子堆积到了原来的正极板上。这样，原来的正极板上又多出了负电荷，变成了负极板；原来的负极板却因为失去了电子——负电荷，而变成正极板了。这样的结果等于又使电容器充了电，不过现在正、负极板的位置对调了。因为线圈一直跨接在电容器的两块极板上，所以，紧接着，刚才的那个过程又重复发生了：负电荷沿着导线向正极板奔去，同时产生了电流的磁场。最后，正极板又变成负极板，负极板却成了正的。
就这样，电场和磁场交替地变化着。电荷来回不停地奔跑，就好像钟摆来回不停地走动，我们把它称为“电磁振荡”。每秒钟电荷来回奔跑的次数越多，它振荡的频率就越高。
产生高频率的电磁振荡，是获得电磁波的先决条件。但是，实现了高频率的振荡，还不一定能把电磁波传向远方。为了这个目的，人们筑起了高高的铁塔，把一根金属电线挂到天上，并且给这样的电线取了一个名字，叫作“天线”。

 
光线变电流
在19世纪80年代，人们发现了一个有趣的现象：一块带有负电的锌板被光照了一下后，电荷不见了，一个火花跳不过去的间隙，被光照了一下，眩眼的火花就发生了。这个奇怪的问题引起了人们巨大的兴趣。
在实践中，人们逐渐想到，会不会是光线给予了锌板之类的东西以一种奇特的打击？于是，有人用剪刀在光滑的锌板和另外一块铜丝网上各剪下一个直径23厘米的圆片，并用架子把它们固定在桌子上，中间稍稍隔开一点距离。然后，又把电弧放映灯搬来。
实验开始之前，实验人员先把一个电池和电流计跟锌板与铜丝网连接起来。锌板接着正极，铜丝网接着负极。这时电流计里的指针正好指在“零”字上。
实验人员用一道强烈的白光向铜丝网和锌板直射过去。实验人员站在电流计旁聚精会神地注视着，他发现电流计中的指针似乎微微地动了一下，可是以后却什么也没有了。
于是他仔细而认真地思索起来：指针为什么会摆动一下呢？为什么它又不老指在某一刻度上？电池上不是有着正、负两个电极吗，会不会是它们对光的“敏感”程度不一样呢？
心头突然一亮。接着他更换了线路上的两个接头，又重新试验起来。这下子锌板变成负极而铜丝网变成正极了。当强烈的弧光再度穿过铜丝网的空隙落到锌板上的时候，指针竟明显地偏转到一边去了。这就是说，一条明明被切断着的电路，在光线的照耀下，现在居然自动接通了。
从此，在科学发展的历史上，又增添了新的一页。光能够产生电流。
它的原理是：电弧的射线落在带负电物体的表面上，就失去了电荷。这种射线的作用仅仅影响带负电的锌片。射线是不会带走正电荷的。把电荷从锌板上打下来的主要是紫外线，从锌板上反射出来的光是不会再打下电子来的。只要控制好光线的照射，就有可能把光变成电流。
这种光和电的奇妙的联系，以后就被物理学界命名为“光电效应”，并且开始被人们制成一种叫做“光电管”的器件。
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