第七章 电的疑问

我们日常生活所用的电自从被制造出来以后，人类在敬畏它的同时，也对它产生了许多的疑问，这些疑问涉及电的各个方面。下面就为读者进行详细的解答。
 
摩擦为何会起电
当人们在空气干燥的时候，用塑料梳子梳干净的头发时，头发会随梳子飘起来。如果靠近小纸片，梳子还会把它们吸过来。这种物体经过摩擦后能吸引轻小物体的现象，叫做摩擦起电。那么，摩擦起电的原因究竟是什么呢？
18世纪中期，美国科学家富兰克林经过分析和研究，认为有两种性质不同的电，它们分别叫做正电和负电。物体因摩擦而带的电，不是正电就是负电。科学上规定：与用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电相同的叫做正电，与用毛皮摩擦过的橡胶棒带的电相同的叫做负电。
当两个物体互相摩擦时，必定有一个物体失去一些电子，另一个物体得到多余的电子。如用玻璃棒跟丝绸摩擦，玻璃棒的一些电子转移到丝绸上，玻璃棒因失去电子而带正电，丝绸因得到电子而带等量的负电。用橡胶棒跟毛皮摩擦，毛皮的一些电子转移到橡胶棒上，毛皮带正电，橡胶棒带着等量的负电。
可见，摩擦起电并不是创造了电，只是使客观上存在的电子从一个物体转移到另一个物体上。
 
电流是怎样产生的
用摩擦方法使物体带上的正电和负电是静电，静电是不能用来点灯和开动机器的，只有运动的电荷才能带动电器。
物理学上把带电微粒的定向移动叫做电流。利用电来使电器工作，需要长时间持续存在的电流。那么，怎样才能得到持续的电流呢？
如果我们按下手电筒的按钮，小灯泡就会持续发光，表明流过小灯泡的电流是持续的；当干电池使用一段时间后，小灯泡就不亮了。这说明小灯泡中的持续电流是干电池供给的。当打开电风扇的开关，电风扇就会不停地旋转，表明电流是持续的。这个电流之所以能持续存在，是因为发电厂的发电机不断供电。如果停电，电风扇也就不旋转了。
像干电池和发电机之类的能够持续供电的装置，我们称之为电源。但电源既不能制造电，也不能贮存电荷，它只是起到搬运电荷的作用。比如干电池点亮小灯泡，是由于电池中的物质发生化学变化，使电荷源源不断地流过小灯泡，同时又使电荷不断地流回电池。这是化学能转化成电能。同样的道理，工业用的发电机是把机械能转化成了电能。
 
电流只在金属中流动吗
当把两根金属线放入某种溶液中并与一个电池连接时，就会产生电流。纯净的水不会产生电流，只有在水中加入食盐（化学名称为氯化钠）时才会有。在食盐溶液中，移动的不是电子，而是另外一种形式的带电粒子，这是离子，也就是带电的原子。食盐由带正电的钠离子和带负电的氯离子组成。在食盐晶体中，这些离子由于电的吸引力而牢牢结合在一起。在水中，这种束缚就消失了。水分子挤入这些离子之间，并因此屏蔽了电的吸引力。不久，这些离子就游离在溶液之中。现在，它们被悬在水中的带正电和带负电的金属线（也就是电极）所吸引。在短时间之后，在这个溶液中就产生了三种不同的物质：氯气、氧气和氢氧化钠。
溶液中的电流分解了氯化钠，并从中产生了另外三种物质。人们把通过电流分解物质的过程称为电解。像食盐这种在水溶液里或熔融状态下能导电的化合物叫电解质。
离子向电极移动，产生了电流。不过，在溶液中并没有电子流，有的只是离子流。因此，电流并不意味着是电子的移动，也可能涉及到其他的带电粒子。
 
什么是电流强度
在电学中，“电流强度”就是每秒流过导线的电子数量。
人们根据法国物理学家安德烈·马利·安培（1775～1836年）的名字把电流强度命名为“安培”（AmPere，缩写为A）。每秒通过1库仑的电量称为1安培（A）。库仑是电量单位，简称库，用符号C表示，1库约相当于6.25×1018个电子的电量。通过一个手电筒灯泡的电流，只有大约0.02安培。
与此相比，通过一个电烤箱箱板的电流为5安培到10安培，而在一辆巨大的电力机车中运行的电流甚至高达几百安培。
每种物质中都有电吗
现在我们知道，在原子中都带有电子。实际上，我们周围的一切物质都是由原子组成的，因此到处可以找到电子。原子非常微小：一千万个原子并排在一起，才只有一毫米的长度。
假如我们把一个原子放大到一米的直径，它看起来像一个球状的灰云。如果再仔细往里看，你会发现一群像蚊子一样来回飞着的微小结构。这些“蚊子”就是电子。它们的运动速度非常快，甚至把原子放大到这种程度都无法看清其中有多少电子。根据原子种类的不同，其中包含的电子数量也不相同：例如最简单的原子，也就是组成氢气的氢原子，只含有1个电子；氧原子有8个电子；而在铜原子中有29个电子。当我们更仔细地观察原子时会发现，在这片云中有一个微小的硬核。这个原子核甚至在我们把原子放大到一米之后也只有几毫米大。然而，它实际上占据了原子的整个重量。
原子由两种微粒组成，分别是中子和质子。其中，质子特别重要。它们带有正电荷，因此会吸引电子。正是质子和电子之间的这种吸引力，才把原子集中在一起。这种吸引力非常大，电子为了不被质子捕捉到，必须要围绕着原子核高速旋转。
在每一个原子中，有着同样数量的电子和质子。因此从整体来看，原子对外并不带电：质子与电子所带的正负电荷相互抵消，达成了平衡。因此人们说，原子是中性的（电荷为零的物体）。
谁发明了电池
1786年，意大利解剖学教授路易吉·加尔瓦尼（1737～1798年）在解剖青蛙时注意到，死去的青蛙的大腿在碰到不同的金属时会突然抽搐一下。在这之前，人们认为这种抽搐是电火花造成的影响。加尔瓦尼认为，这种影响背后隐藏着一种“生物电”。
然而，在不久之后，意大利帕维亚的物理学教授亚历桑德罗·伏特证明，加尔瓦尼的这种推测是完全错误的。青蛙身体只会显现出电压。人们通过在一个盐溶液中浸入一块锌板和一块铜板，也可以制造出这种电压。当人们把这两块金属板用一根导线连接起来时会发现，在很长一段时间里溶液中都流动着电流。此外，伏特还确认，可以通过把多个这样的金属板连接在一起来加强这种电流效果。这样，他就用铜板和锌板以及用盐溶液浸泡的厚纸片制成了“伏特柱”，这就是最早的电池。现在，手电筒电池中同样含有锌。不过，具有导电能力的碳棒取代了铜。此外，人们使用了由氯化铝和二氧化锰组成的糊状物，取代可能会流出的盐溶液。这样的电池在全新的状态下，可以提供1.5伏特的电压。
干电池怎样工作
干电池的外壳是一个用锌做成的筒，里面装着化学药品，锌筒中央立着一根碳棒，碳棒顶端固定着一个铜帽。
干电池内由于发生化学变化，碳棒上聚集了许多正电荷，锌筒表面上聚集了许多负电荷。碳棒和锌筒叫做干电池的电极，聚集正电荷的碳棒叫正极，聚集负电荷的锌筒叫负极。干电池外壳上符号“+”、“-”分别表示电池的正极和负极。
当我们用导线把小灯泡连接到电池的两极之间时，小灯泡就会亮，表明电路里有了电流。电路里的自由电荷之所以能发生定向移动形成电流，是因为电源的正极有多余的正电荷，电源的负极有多余的负电荷，从而在电路上产生了电压。电源的作用跟抽水机相似，它不断使正电荷聚集在正极上，负电荷聚集在负极上，保持两极间有一定的电压，使连接导体中不断有电流通过。
蓄电池如何工作
蓄电池可以经历多次充电、放电循环，反复使用。最为常见的蓄电池是铅蓄电池，汽车电池通常就属于此类。一块12伏特的汽车电池含有六对板。每一对板由一块铅板和一块二氧化铅板（一种铅的氧化物）组成。这些板浸泡在稀释的硫酸溶液中。铅板会带上负电，而二氧化铅板会带上正电，即铅板是电池的负极，二氧化铅板是电池的正极。当电流流动时，两块板就会逐渐变成硫酸铅（一种铅和硫酸的化合物）。在这个过程中，每一对板可以提供2伏特的电压。当电流从发电机流入蓄电池中时，硫酸铅会重新分解成硫酸和铅或二氧化铅。在这个充电过程完成之后，一个空的蓄电池又可以供电了。
人们想把锌溶解在二氧化锰糊状物中。为此，每一个锌原子必须变成带正电荷的锌离子，而这只有通过释放电子才能实现。现在，电子留在锌板上，这里聚集着负电荷；而在二氧化锰糊状物中形成了大量多余的带正电的锌离子，因此导电性能良好的碳棒带上了正电。
当通过一根导线把锌筒和碳棒连接起来时。电子就从锌迁移到了碳上，然后在那里转移到二氧化锰糊状物中去中和带正电的离子，这样就产生了电流。在这个过程中，金属锌逐渐被消耗掉。
触电是怎么回事
我们的日常生活中经常接触电，微弱的电流通过人体时不仅无害，反而有益。如医学上的电疗法，就是让微弱的电流通过病人的身体，以刺激某些部位，达到治病的目的。
当通过人体的电流强度较大时，就会发生触电事故。当电流强度为1毫安左右的电流通过人体时，人会感觉发麻。当电流不超过10毫安时，触电人自己可以摆脱电源，不致造成事故。当电流在20到25毫安时，就会使人感到剧痛，甚至神经麻痹，肌肉剧烈收缩，自己无法摆脱电源，有生命危险。如果电流达到100毫安，很短时间就会使人窒息，造成死亡。
最常见的触电事故是照明电路引起的。由于人体直接或间接跟照明电路的火线连通，较强的电流通过人体而造成。这种事故有两种：一种是人站在地上，一手接触火线，这时电流从火线通过人体流入大地；另一种是人的两手分别接触火线和地线，尽管人站在绝缘物体上，照样会有很大的电流通过身体，造成事故。
 
什么是安全电压
当通过人体的电流达到一定强度时，就会发生触电事故。根据欧姆定律，触电时通过人体的电流强度，取决于外加电压和人体的电阻。经验表明，对于人体来说，不高于36伏的电压才是安全的，这个范围的电压叫做安全电压。
现代人们普遍使用的电路的电压都大大超过了安全电压，比如照明电路的电压是220伏，电动机带动抽水机工作的线路电压是380伏。这些电路在生产中虽然都叫做低压线路，但对于人体来说都是不安全的。室外高空中架设的高压线路，有的高达几万伏，甚至几十万伏，更是远远超出安全电压。
我们常见的白炽电灯、电风扇、洗衣机、电视机、电冰箱、电熨斗等家用电器，它们工作电压都是220伏。因此，一定要正确操作，不能接触电器的带电部分。
绝缘体能导电吗
有些物体能导电，比如金属、人体、大地等，容易导电的物体叫做导体。有的物体则不容易导电，比如橡胶、塑料、玻璃、陶瓷、空气等，不容易导电的物体叫做绝缘体。
导体能够导电，是因为导体中的电荷受到的束缚力很小，它们能够从一个地方移到别的地方。绝缘体不能导电，是因为绝缘体中的电荷几乎都被束缚在原子或分子的范围内，不能从一个地方移到别的地方。
但是，绝缘体并不是绝对不导电的。在某些条件下，绝缘体也可能变成导体。非常纯净的水是不能导电的，如果在水中放入杂质，就变成电的良导体了。
超导性是怎么回事
1911年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂尼斯（1853～1926年）发现了一个意想不到的现象：一根汞导线在比绝对零度（这是可能达到的最低温度，也就是零下273.15摄氏度）高大约4摄氏度时，突然没有了电阻。电阻完全消失了，即电阻为零，也就是说，电流在没有能量损失的情况下流过导线。昂尼斯把这个现象称为“超导性”。
1986年，人们发现了一种特定的物质，它在大约零下180摄氏度的温度时就具有了超导性。现在看来，有一天甚至在常温下制造出超导体也不是不可能的。如果成功，电力经济就会发生根本性的改变。例如，若在一个具有超导能力的线圈中制造电流，在切断电源之后，电流也可以长年毫无改变地继续流动下去，而不会有损失。这会是一个理想的电流存储器。此外，具有超导能力的线缆会让高压线变得多余，并因此在传输电流时没有能量损失。目前由于导线电阻，会使3～5％的电流以热量形式流失。
为什么会有电阻
每一种物质，包括每一种金属线和每一种电线，都会对流动的电流产生阻力。也就是说，电子并不是毫无阻碍地在一根金属线的原子之间穿过，而是会不断地与它们产生碰撞，并因此使运动过程受阻。在这个过程中，一部分电能会转化为热能。
一根金属越细越长时，这种阻力就越大。此外，电阻也取决于物质的种类：有些物质只有微小的电阻，因此可以很好地导电；另外一些物质则有着很大的阻力，因此是不良导体。例如，一根铁丝在同样的规格尺寸下要比一根铜丝的阻力更大，而铜的导电能力又不如银。琥珀、瓷器、塑料、玻璃和空气都是绝缘体，即不容易导电的物体。它们所产生的阻力非常大，以至于实际上几乎根本没有电流通过。
因此，人们把塑料作为隔离电线和用电设备的绝缘体；与此相比，人们用具有良好导电性的铜来生产传输电力的电缆。
人们把电阻的单位称为“欧姆”，它是根据德国科隆的中学教师格奥尔格·西蒙·欧姆（1789～1854年）命名的。他于1826年发现了“欧姆定律”，人们可以根据这个定律计算出电压、电流和电阻之间的关系：电压（单位伏特）除以电流强度（单位安培）等于电阻（单位欧姆），即V/A=Ω。
Ω是电阻的表示符号，读作欧米伽（Omega），它是希腊字母表的最后一个字母。
在一个电路中，每一个部分都有一定的电阻，所有这些电阻之和就是它的总电阻。
通常，用电设备本身（例如灯泡、电烤箱和微波炉等）是电路中最大的电阻。
电源插座为何有两个接口
一个电源插座总是有两个粗的金属头作为接口，一个电池也总是有两极。这是为什么呢？如果只把灯泡与电池的一极相连，又会有什么事情发生呢？这样的结果是，这些电子虽然会从电池的一极流向灯泡的灯丝，但是在短时间之后，在那里就会堆积大量的电子，导致没有更多的空间容纳这些电子。这样，灯丝就会带负电荷并因此阻止更多的电子流入。结果是电流又中止了。也就是说，人们必须给电子提供一种能不间断地流回灯丝另一端的可能。只有这样，才会有始终不断的电子流使灯丝发光。
电子从电源（电池或电源插座）的一个接口中出来，通过金属导线流到用电设备（灯泡），并通过另外一根导线再流回电池（或电源插座）的另外一个接口。人们把这样一个电子的循环称为“电路”。为了驱动用电设备，电路必须始终保持闭合。因此，所有的用电设备都必须有两个接口。
保险装置有何用
在家用供电设备中，最重要的两个设备是保险装置和电能表。保险装置的作用是，尽可能避免由于电流而造成事故。例如，当一个连接着的设备短路，也就是导线直接相连时，此时流过的电流突然变强很多，线路会迅速变热烧红，也许会引燃整个房子。而保险装置会马上切断电路，避免这种情况发生。保险装置有接地插头和漏电保护器两种。
有时，设备的外壳部分必须由金属组成。在设备内部可能会出现线缆随着时间的推移被磨破，带电的导线碰到外壳的情况。当人再碰它时，就会有受到电击的危险，因为在外壳、人体和大地之间会有230伏特（中国通常使用的电压为220伏特）的电压。
为了避免这种情况的发生，每一种有金属外壳的用电设备都必须“接地”：在传输线中的第三根线，将金属外壳与电源插座的“保护接地触点”相连。这个“保险装置”是在旁边的两个金属簧片。一根线从那里伸向房屋管线。其中，固定着一个接地的小金属片，所有的保护接地触点线都汇集在这里。现在，当一根通电的导线碰到这种设备外壳时，马上就会形成短路，这相当于保险装置在起作用。
漏电保护器安装在每一个电路开始的保险装置盒中。在那里，输入线中的电流强度，与输出线中的电流强度进行自动比较。正常情况下，这两个数值是相同的。但是，当某个地方出现了漏洞，电流流向大地时，漏电保护器就会发出警报：它会闪电般地切断这个电路。常见的漏电保护器会在25毫安，也就是对人体造成危险时作出反应。
变压器为何只对交流电起作用
让交流电可以变换为不同电压的设备是变压器。在一个环形的铁芯上，有两个由铜线组成的线圈，分别是输入和输出线圈。其中一个线圈由粗线的少量绕组组成，另一个线圈则由细线的大量绕组组成。当在缠有少量绕组的线圈（初级线圈）中流过交流电时，在另一个线圈（次级线圈）中就形成了交流电压。它的伏特数要比原来高得多。输入和输出电压的比例与两个线圈的匝数比对应。例如，如果输出线圈的匝数是输入线圈匝数的10倍，那么它就会提供10倍于输入电压的输出电压。不过，变压器的电功率并不会产生变化：当电压升高时，电流强度就会降低。如果输出线圈提供了10倍于原来的电压，那么电流强度就会降为原来的十分之一。
变压器只对交流电起作用，其原因在于输入线圈中的电压始终在改变，由此导致了一个不断变化的磁场。这种磁场的改变诱导着输出线圈中的每一个绕组的电压。
什么是耗电量、电功率
我们日常所用的电灯泡上都印有“220V 40W”或“220V 60W”等字样，220V表示灯泡正常工作时的电压，叫额定电压。那么，40W或60W表示什么呢？
我们知道电流是可以做功的，如电流通过白炽灯做功，使灯泡发热发光。电流在1秒钟内做的功叫做电功率。电功率的单位是瓦，符号是W。灯泡上标明的“40W”，表示灯泡在额定电压下工作时的电功率是40瓦，通常叫做额定功率。
耗电量是电器消耗电能的数值。在电流通过电灯做功的过程中，电能转化为热能，其中部分热能又转化为光能。电流做了多少功，就有多少电能转化为热能和光能，所以耗电量等于电流所做的功。
在额定电压下，通过灯泡的电流越大，通电时间越长，电流做的功就越多，灯泡消耗的电能也就越多。
 
“1千瓦时”是什么意思　
如果人们想测量在一段时间内有多少电流流过一根导线，就要使用“瓦时”这个单位。例如，如果让25盏40瓦特的灯点亮一个小时，就消耗了1000瓦时的电量。1000瓦时相当于1千瓦时（缩写为kWh）。现在，我们每月的用电量都是以千瓦时为单位，也就是我们通常所说的“度”。
什么是直流电、交流电
直流电是一种电流方向和强度都不会改变的电流。例如，从电池中流出的就是直流电。大量的用电设备，如计算机、电视机、电话和收音机，都需要直流电。它们从电池中获取直流电，或从电源插座的交流电中，通过变压器自己制造直流电。直流电不适合远距离传输电流，因为由电阻而产生的功率损耗非常大。
交流电是通过旋转磁体的帮助产生的，它始终在改变着它的方向和电流强度。例如，在发电机中，当磁体的北极朝向线圈时，电压就会升高，并达到一个最大值，然后又下降为零伏特。在后来的另一个瞬间，磁体的南极朝向线圈。这会产生一个与电极方向相反的电压。这个电压同样会升高到最大值，然后又下降为零。在一个磁体旋转过程中，会产生一次正的最大值和一次负的最大值以及三个瞬间的零电压。人们把这样一个过程称为“周期”。在这个过程中，电子会以一个特定的“频率”在导线中有节奏地来回运动。
电工技术人员用“相位”来描述这种运动过程，并以单位“赫兹”，即每秒振荡的次数来测量交流电的频率。一赫兹表示电流每秒振荡一次。在欧洲，人们使用每秒运行50个周期（50赫兹）的电流。这意味着，电流每秒改变方向100次。不同变化形式的交流电，其应用范围和产生的效果也是不同的。其中以正弦交流电应用最为广泛，其他非正弦交流电一般都可以经过数学处理后，转化成为正弦交流电的迭加。
 
为什么使用交流电
直流电对于一定距离的供电来说，线路损耗非常大。如果想在线路中输送高强度的电流，电厂和用电户之间的距离就不能太远。与直流电相比，交流电有一个巨大的优点：改变它的电压是一件非常容易的事情。正因为如此，交流电不仅能实现低电压发电，比较安全，而且还能用高压输送电，线路损耗低。
怎样传输交流电
在输送交流电时，人们可以有多种选择，例如要输送1000千瓦功率的电力，应该选择20万伏特、5安培的方式，还是选择200伏特、5000安培的方式？在电流强度为5000安培时，线路损耗非常大。与此相比，电流强度为5安培时的线路损耗则非常小。当然，为此要在高处架设“高压线”。但是，只有利用交流电，才能实现远距离传输。由于有这个优点，现在几乎所有的高压线中流动的都是交流电。更准确地说，这是一种特殊形式的交流电，也就是由三个相互叠加的交流电组成的三相电流。
何谓三相电流
三相电流由三个交流电组成，在专门的三相交流发电机中产生。在转子周围的定子中，各有一个以120度角的距离排布的线圈。当转子旋转时，在每一个线圈中会产生一个交流电。首先，电压在线圈1中达到最大值，然后逐渐减弱。而在此之前，在线圈2中已经产生了电压；它在三分之一周期之后达到最大值。同时，线圈3又会重复发生上述过程。然后，又轮回到线圈1。
一台三相交流电动机发挥相反的作用：在定子中也有三个星状排布（即丫形）的线圈。当交流电从三相交流发电机中流入时，线圈1首先产生磁性，转子开始旋转。在转子旋转三分之一周期之后，磁力在线圈2中达到最大值，然后在线圈3中发生上述情况。这样，这些线圈就产生了一个有磁性的“旋转磁场”，始终围绕着转子运动并领先于转子。
作为交流电，三相电流很适合进行远距离传输（为此，分别需要三种线路）。它非常适合大型电动机使用，因此经常被称为“强电流”。现在，德国的整个输电网使用的都是三相电流。
 
电铃的工作原理是什么
在学校中，电铃一响，学生就知道上课或下课时间到了。那么，电铃的工作原理是什么呢？其实，电铃响个不停，主要是电磁铁的作用。
大家知道，磁铁具有磁性，能吸引铁、钴等物质。如果把绝缘导线缠绕在一个蹄形铁芯上，当电流通过导线时，铁芯的两极也能吸引大头针、小铁钉、铁屑等。这表明铁芯也具有磁性。当电流停止流通时，被吸的东西就掉下来。这说明通过电流的导线会产生跟磁铁相同的作用，这种现象叫做电流的磁效应。
人们把缠绕绝缘导线的铁芯叫做电磁铁。把铁芯做成U形，目的是让它的两个磁极同时吸引磁性物体，而且吸力更强。
电铃就是利用电磁铁来工作的。当按下电钮接通电路时，电磁铁有了磁性，就把弹簧片上的衔铁吸过来，与衔铁相连接的小锤在铃上敲打一下，这时衔铁和螺钉尖端分开，电路被切断，电磁铁失去磁性，弹簧片弹了回去。衔铁再接触螺钉，电路又通了，把衔铁吸过来，带动小锤再次击铃。就这样，只要我们继续用手按电钮，电流就这样一断一通地循环下去，铃声也就响个不停。
 
电动机是怎样工作的
发电机可以把机械能转化为电能。而电动机（也称作马达）虽然也是这样制造的，不过它是完全相反地发挥着作用——把电能转化为机械能。
与发电机相同的是，形式最简单的电动机也是由一个可旋转的电磁铁（也就是“转子”）和一个永久磁铁组成的。这块磁铁被人们称为场磁铁，会产生出转子在其中自转的磁场。当直流电在这个转子线圈中流动时，转子就会产生磁性，使得它的北极指向场磁铁的南极。
然后，它会停住（因此人们把这个位置称为“死点”）。但是当人们迅速地改变线圈中的电流方向时，它会继续旋转：它的振动驱使它来到死点的上方，然后磁力开始起作用。因为刚才还是转子北极的位置，现在变成了南极，并因此排斥场磁铁的南极，吸引它的北极。如果它达到了场磁铁的北极，人们又会改变电流，这样电动机就会始终继续旋转。在这里，一个换向器实现着电流方向的改变。
这种类型的马达也可以使用交流电。交流电虽然始终改变着方向，但是由于同时在场磁铁和转子中工作，因此马达仍然会转动。这种“通用马达”应用在很多实用设备，如电动搅拌器、抽油烟机和钻床中。
 
灯泡发光的原理是什么
如果一根金属线中的电流强度太高，它就会变热。如果继续提高电流强度，它就会开始发热并向外发光。最后，它甚至会熔断。因此，人们必须要选择适合的电导线，使得它能够承受住预设的电流强度。也有一些用电设备是通过把电能转化为热能起作用的，例如灯泡、烤面包机、吹风机、轻便电炉和电烤箱。这些设备通常含有由这样一些金属材料组成的导线，它们的导电性不是很好，但另一方面，它们在没有熔断的情况下就会变得很热。
例如，灯泡的灯丝是由金属钨做成的。它的导电性只有铜的三分之一，同时它的熔点要比所有其他金属都高，因此它可以升温到非常高的水平，直到白热。人们设计好这种金属丝的长度和直径，使得它在一个特定的电压下一直发光而不会熔断。
电阻也在保险丝中发挥着重要的作用。人们在电路中安装保险丝，目的是避免产生会毁坏设备的高电流。因为保险丝只能承受允许的电流强度，在过高的电流强度下会很快熔断，从而使电路断开。
 
灯丝为何会断
在金属导体内部，既有原子和带正电的正离子，也有自由电子。在外界电力的作用下，当自由电子在导体内部做定向运动的时候，就会与规则地排列着的原子和正离子发生碰撞，结果阻碍了电子的定向运动。导体这种阻碍电流通过的作用，叫做导体的电阻。
实验表明，导体的电阻随着温度改变而改变。当温度升高时，金属的电阻将增大。电灯泡里的灯丝（钨丝）不发光时温度只有几十摄氏度，电阻很小，发光时可以达到2000摄氏度，灯丝的电阻值就增大了许多倍。灯泡用的时间长了钨丝容易断掉，但钨丝断掉大都发生在开灯时的一瞬间，这是因为刚开灯时灯丝温度还没有升高的瞬间，它的电阻比较小，而通过灯丝的电流比发光时大得多。
 
卤素灯为何比普通灯泡亮
卤素灯比普通的灯泡更亮，同时更耐用。其中的原因在于一个化学反应：在玻璃罩中的气体含有恒量的化学元素碘，化学家把碘归为卤素。在点亮的灯泡中，金属从灯丝上蒸发时，马上会与碘发生化学反应。这种碘金属的化合物是以气体形式分布在灯泡中的。它们在灯丝旁边会变得非常灼热，以至于它们都分解了。在这个过程中又形成了金属，沉积到灯丝上并加粗了灯丝，同时还形成了碘，这又将与周围的金属原子发生反应。由于有了碘，灯丝可有效地避免变细和熔断的危险。因此可以承受比以前更高的温度，这样灯泡就会比以前更亮了。
焦耳定律是怎么回事
如果我们用手去摸发光的电灯泡，就会觉得它比不发光时热。实验表明，导体有电流通过时都要发热，这种现象叫做电流的热效应。第一个用实验揭开这个秘密的人是英国物理学家焦耳。
1841年，焦耳把通电的电阻丝直接放到纯净的水里，让电阻丝产生的热量使水的温度升高，用插入水中的温度计测出升高的温度。他发现，电阻丝的电阻越大，通过的电流越大，通电的时间越长，水的温度就越高，表明电流产生的热量越多。焦耳做了大量的实验，精确地确定了电流产生的热量跟电阻、电流强度和通电时间的定量关系，物理学把这个规律叫做焦耳定律。
焦耳定律说明：电流通过导体时，电阻越大，电流越大，时间越长，电流做的功就越多，所产生的热量也就越多。
我们常用的电烙铁、电炉、电熨斗、电烤箱等设备，它们的设计都以焦耳定律作为理论依据。
法拉第笼是什么样子
人们把一个由金属组成的闭合容器，例如一个由金属丝编成的笼子、一辆汽车或一架飞机称为法拉第笼。如果在上面加入电荷，这些电荷会分散开，因为它们会相互排斥，只能处在法拉第笼的外侧。例如，当闪电射向一辆汽车时，会沿着车身的外部形成电压，并传导到大地中。
 
电线上的飞鸟为何电不死
大家经常会在室外看到一种情形：几只鸟儿悠闲的站在电线上。那么，鸟为什么能够安全地停在电线上呢？
停在电线上的鸟的身体似乎是电路的一个分路，它的电阻比起另一个分路（鸟的两脚之间的那部分很短的电线）来要大得多。所以在这个分路（鸟的身体）里的电流就十分小，小到对鸟没有危害。但是，如果停在电线上的鸟的翅膀、尾部或嘴触到了电线杆，就会立即有电流通过它的身体流入地里，使它触电身亡了。
鸟类有一种习惯，当它们停在高压电线杆的横臂上的时候，经常在有电流的电线上磨嘴。因为横臂没有绝缘，因此停在上面的鸟是和地面相触的。这样，鸟一触到有电流的电线，就不可避免地触电身亡了。
 
电缆线里为何要充气
电缆线也同自行车轮胎一样，需要往里打气。这是为什么呢？
在电话电缆线的外面常穿有一件铅皮做的防护衣，在铅外衣的里面有多则上千对、少则几十对的电话线。有的电缆线架在空中，有的埋在地下，还有的穿过隧道或深潜在海底。天长日久，这些电缆线可能遭到虫咬、雷击、磕碰、腐蚀等破环，它们的保护外衣也有可能因为自然老化而开裂。这样一来，雨水、湿空气、水就会渗透到电缆里。由于受潮，会使绝缘强度降低，造成通讯不畅，甚至中断。因此，只穿上保护衣并不是万全之策。
在电缆里充上一定量的干燥空气，使整条通讯电缆里的压强保持在30000～80000帕，一方面可以抵御潮湿空气和水的浸入，另一方面一旦电缆的保护层被破坏，电缆由于漏气而使气压降低时，安装在线路上的气压监视装置会立即自动地把故障地段报告给电话局。在大城市里，电话电缆密如蛛网，—旦发生故障，很难立即查出发生故障的地点。在电缆里充气的方法非常巧妙，通过气压的监测与自动报警，检修人员能立即准确地赶到出事地点，及时检修，这样就确保了电话通讯的通畅。
 
第一台发电机是什么样子
法拉第制造出了世界上第一台发电机，这台发电机的构造与现代发电机不同，在磁场中转动的不是线圈。在他的设备中，一根棒状磁铁有节奏地在一个线圈中来回转动，并因此产生出不稳定、不强但连续的电流。不久，其他研究人员也发明了使用旋转运动产生电流的机器，这就是我们现在的涡轮发电机的前身。法国人希波吕忒·皮克斯把一块马蹄形磁铁固定在一个轴上并转动它，磁铁会在两个线圈之间转动并产生出电流。
现在自行车发电机还是根据这个原理工作的。当时，还有另外一种设备，使用一个线圈在马蹄形磁铁的两极之间旋转工作。其中，人们把固定的部分称为定子，把旋转的部分称为转子，无论是永久磁铁还是线圈运动都是如此。
当时，人们利用这些设备的帮助，可以使用水车或蒸汽机发电。不过，它们提供的是“交流电”，而不是稳定的电流。
 
联合电网的优点是什么
人们可以把油和水储存在罐子中，把气体储存在储气罐中。可是，电流无法保存。人们必须在需要它的那一瞬间制造它，并通过电线输送。
然而，用电消耗并不总是相同的。在一天的不同时间里，在不同的天气和季节里，甚至在每分钟之间，用电消耗都有着很大的差别。
供电企业有责任随时提供足够的电能，供人们使用。因此，他们成立了一个“联合电网”，其中，所有的电站和用电户相互连接。与一个电站只为周围的用户提供用电相比，联合电网有很多优点。例如，当一个电站出现故障时，另一个电站马上会接替它工作。此外，通过让一些电站只在高峰时工作，也可以更好地调整用电需求的波动。在联合电网中的电流消耗，始终通过计算机进行监视和控制。
电能产生磁吗
数年来，道学家一直推测，在电和磁两种神秘的自然现象之间一定有着某种联系。他们试图寻找这种联系，但是一直没有结果。后来，一次偶然的观察让人们终于发现了这种联系。
大约在1820年时，丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特（1777～1851年）想向他的学生们演示当时刚刚发明的电池。当一根通电的导线从他手中落下时，在桌子旁边刚巧有一个罗盘，奧斯特惊奇地注意到，罗盘指针转向了另外一个方向。他把导线抬高，指针又马上指向了原来的方向。当他把导线放下并切断电流时，指针没有发生偏转。而当导线中的电流越强时，罗盘指针偏转得就越多。
如何解释这种现象呢？罗盘指针是一个小磁体，因此会对其他磁体作出反应。显然，在通电的线中也存在磁体！奥斯特这一实验，证明了电和磁能相互转化，这为电磁学的发展奠定了重要基础。
事实上，人们不久就利用铁粉的帮助看到了通电导线的磁性。后来，人们把很多线圈放到罗盘指针上面来加强这种磁效应。这样，就形成了一个敏感的电流设备，即“电流计”。它可以显示出微小的电流，不久的将来就可以运用在每一个实验室中。现在我们知道，电荷的每一次运动都会产生磁场。这对于运动的电子来说也是如此：它们围绕着原子核旋转。而原子核像一个陀螺一样自转，这种旋转也会产生微弱的磁场。总而言之，电是产生磁性的原因。
 
电磁铁如何发挥作用
单独的一根导线，磁场相当微弱。不过，人们通过把这根导线绕成“线圈”，就可以很容易地加强这种效果。当有电流流过时，这个线圈就像一个有北极和南极的磁体一样起作用。当电流方向反向时，磁极也会发生翻转。电流强度越大，磁力就越大。
把一根铁棒放入这个线圈中时，会进一步加强这个磁场。开始时，这根铁棒并没有磁性。不过，铁有一种特性：它的电子在显微镜下的微小区域中是同样排列的。它们形成了微小的磁体，不过在没有磁性的状态下是完全杂乱的；这种磁效应对外界没有影响。线圈的磁场会重新排列这些小磁体。由于线圈中的电流强度不断增大，它们逐渐转向同一个方向，形成了自己的磁场，并明显加强了线圈的磁场。
在断开电流之后，这个磁场很快就消失了，线圈变得没有磁性。不过，这只是对于由纯铁组成的核心才会是这样。与此相比，如果这个核心是钢，也就是由铁和碳按一定比例组成的物质，那么这个小磁铁就会在磁化之后保留原来的磁性。这个核心变成了永久磁铁，也就是说在没有电流时，它依然具有磁性。
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焦耳定律
焦耳定律是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律。内容是：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。