跳过字词转换说明 汉漢▼▲ 为了阅读方便，本文使用全文手工轉換。转换内容： 下方采用物理學組全文轉換 編輯 原始语言：Gravitation；繁體：萬有引力；简体：万有引力； 当前用字模式下显示为→万有引力 原始语言：traction；繁體：牽引力；简体：牵引力； 当前用字模式下显示为→牵引力 原始语言：attraction；繁體：吸引力；简体：吸引力； 当前用字模式下显示为→吸引力 原始语言：Integral form；繁體：積分形式；简体：积分形式； 当前用字模式下显示为→积分形式 原始语言：Differential form；繁體：微分形式；简体：微分形式； 当前用字模式下显示为→微分形式 原始语言：Gravitational acceleration；繁體：重力加速度；简体：重力加速度； 当前用字模式下显示为→重力加速度 原始语言：equations；繁體：方程組；简体：方程组； 当前用字模式下显示为→方程组 原始语言：Auger；大陆：俄歇；台灣：奧杰； 当前用字模式下显示为→俄歇 原始语言：Avogadro constant；台灣：亞佛加厥常數；大陆：阿伏伽德罗常量；香港：阿佛加德羅常數； 当前用字模式下显示为→阿伏伽德罗常量 原始语言：Bohr magneton；大陆：玻尔磁子；台灣：波耳磁元； 当前用字模式下显示为→玻尔磁子 原始语言：Born-Oppenheimer approximation；大陆：玻恩-奥本海默近似；台灣：波恩-歐本海默近似法； 当前用字模式下显示为→玻恩-奥本海默近似 原始语言：Big Bang；大霹靂⇒简体：大爆炸；大霹靂⇒繁體：大爆炸；大霹靂⇒大陆：大爆炸；大霹靂⇒香港：大爆炸；大霹靂⇒新加坡：大爆炸；大霹靂⇒台灣：大爆炸； 当前用字模式下显示为→大爆炸 原始语言：Big Bang；台灣：大爆炸；大陆：大爆炸；香港：大爆炸；新加坡：大爆炸； 当前用字模式下显示为→大爆炸 原始语言：Biot-Savart law；台灣：必歐-沙伐定律；大陆：毕奥-萨伐尔定律； 当前用字模式下显示为→毕奥-萨伐尔定律 原始语言：Boltzmann constant；大陆：玻尔兹曼常量；台灣：波茲曼常數； 当前用字模式下显示为→玻尔兹曼常量 原始语言：Brackett series；大陆：布拉开线系；台灣：布拉克系； 当前用字模式下显示为→布拉开线系 原始语言：Brans-Dicke (theory)；大陆：布兰斯-迪克；台灣：卜然斯-狄基； 当前用字模式下显示为→布兰斯-迪克 原始语言：Breit-Wigner；大陆：布赖特-维格纳；台灣：布萊特-維格納； 当前用字模式下显示为→布赖特-维格纳 原始语言：Center-of-mass frame；台灣：質心系；大陆：质心系； 当前用字模式下显示为→质心系 原始语言：Central force；台灣：連心力；大陆：有心力； 当前用字模式下显示为→有心力 原始语言：Charge-mass ratio；台灣：電荷質量比；大陆：荷质比； 当前用字模式下显示为→荷质比 原始语言：Charm；台灣：魅；大陆：粲； 当前用字模式下显示为→粲 原始语言：Classical；台灣：古典；大陆：经典； 当前用字模式下显示为→经典 原始语言：cold fusion；台灣：冷融合；大陆：冷聚变；香港：冷聚變； 当前用字模式下显示为→冷聚变 原始语言：collapse；大陆：坍缩；台灣：塌縮； 当前用字模式下显示为→坍缩 原始语言：confinement；台灣：局限；大陆：约束；香港：約束； 当前用字模式下显示为→约束 原始语言：confinement fusion；台灣：局限融合；大陆：约束聚变；香港：約束聚變； 当前用字模式下显示为→约束聚变 原始语言：criterion；台灣：準則；大陆：判据； 当前用字模式下显示为→判据 原始语言：Decoherence；台灣：去相干；大陆：退相干； 当前用字模式下显示为→退相干 原始语言：Detect；台灣：偵測；大陆：探测； 当前用字模式下显示为→探测 原始语言：Diamagnetism；台灣：反磁性；大陆：抗磁性； 当前用字模式下显示为→抗磁性 原始语言：Diffraction；台灣：繞射；大陆：衍射； 当前用字模式下显示为→衍射 原始语言：Dimension；台灣：因次；大陆：量纲； 当前用字模式下显示为→量纲 原始语言：Double-slit；台灣：雙狹縫；大陆：双缝； 当前用字模式下显示为→双缝 原始语言：Dulong-Petit law；台灣：杜隆-泊替定律；大陆：杜隆-珀蒂定律； 当前用字模式下显示为→杜隆-珀蒂定律 原始语言：Electron hole；台灣：電洞；大陆：空穴； 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Waals；台灣：凡得瓦；大陆：范德瓦耳斯； 当前用字模式下显示为→范德瓦耳斯 原始语言：Verdet；台灣：伐得；大陆：韦尔代； 当前用字模式下显示为→韦尔代 原始语言：von Neumann；台灣：馮·諾伊曼；大陆：冯·诺伊曼；香港：馮·紐曼； 当前用字模式下显示为→冯·诺伊曼 原始语言：Wien；台灣：維因；大陆：维恩； 当前用字模式下显示为→维恩 原始语言：Wiechert；台灣：維謝；大陆：维谢尔； 当前用字模式下显示为→维谢尔 原始语言：Wilson；台灣：威爾森；大陆：威耳逊； 当前用字模式下显示为→威耳逊 原始语言：Witten；台灣：維騰；大陆：威滕； 当前用字模式下显示为→威滕 原始语言：Α，α，alpha；简体：阿尔法；繁體：阿爾法；台灣：阿伐； 当前用字模式下显示为→阿尔法 原始语言：Β，β，beta；简体：贝塔；繁體：貝塔；台灣：貝他； 当前用字模式下显示为→贝塔 原始语言：Γ，γ，gamma；简体：伽马；繁體：伽瑪； 当前用字模式下显示为→伽马 字詞轉換说明顯示↓關閉↑ 字詞轉換是中文维基的一項自動轉換，目的是通過计算机程序自動消除繁简、地区词等不同用字模式的差異，以達到閱讀方便。字詞轉換包括全局轉換和手動轉換，本說明所使用的标题转换和全文转换技術，都屬於手動轉換。 如果您想对我们的字词转换系统提出一些改进建议，或者提交应用面更广的转换（中文维基百科全站乃至MediaWiki软件），或者报告转换系统的错误，请前往Wikipedia:字词转换请求或候选发表您的意见。 电磁学                電、磁               靜電學 電荷、靜電感應、庫侖定律 電場、電勢、電通量 高斯定律、電偶極矩 電極化強度、電位移 靜磁學 電流、磁場、高斯磁定律 磁通量、安培定律 必歐-沙伐定律、磁矢勢 磁偶極矩、磁化强度 電動力學 法拉第定律、勞侖茲力定律 冷次定律、電動勢、渦電流 位移電流、麦克斯韦方程组 推遲勢、馬克士威應力張量 黎納-維謝勢、電磁感應 電磁輻射、自由空間 電路 電導、電阻、電容、電感 阻抗、歐姆定律 串聯電路、並聯電路 基爾霍夫電路定律、波導 協變表述 電磁張量、四維電流密度 電磁應力-能量張量 四維勢 物理學家 庫侖、安培、高斯、奧斯特 亨利、法拉第、馬克士威 黑維塞、韋伯、特斯拉 勞侖茲、赫茲 查 • 論 • 編 • 歷 自然界的閃電是電的一種現象 電是一種自然現象，是一種能量。电是像电子和质子这样的亚原子粒子之间的产生排斥力和吸引力的一种属性。它是自然界四种基本相互作用之一。电或電荷有两种：我们把一种叫做正电、另一种叫做负电。通过实验我们发现带电物体同性相斥、异性相吸，其吸引力或排斥力遵从库仑定律。 電是個一般術語，包括了許多種由於電荷的存在或移動而產生的現象。這其中有許多很容易觀察到的現象，像閃電、靜電等等，還有一些比較生疏的概念，像電磁場、電磁感應等等。 用來稱呼許多種不同的自然現象，一般只需使用「電」這單字就已足以勝任。但是，用於科學領域，這術語的意思顯得相當模糊。必須使用更明確的術語來區分各種各樣不同的概念。 電荷：某些亞原子粒子的內涵性質。這性質決定了它們彼此之間的電磁作用。帶電荷的物質會被外電磁場影響，同時，也會產生電磁場。 電流：帶電粒子的移動，通常以安培為度量單位。 電場：由電荷產生的一種影響。附近的其它電荷會因這影響而感受到電場力。 電勢：單位電荷在靜電場的某一位置所擁有的電勢能，通常以伏特為度量單位。 電磁作用：電磁場與靜止或運動中的電荷之間的一種基本交互作用。 很久以前，就有許多術士致力於研究電的現象。可是，所得到的結果真是乏善可陳，少之又少。直到十七和十八世紀，才出現了一些在科學方面重要的發展和突破。在那時，科學家並沒有找到什麼電的實際用途。這要等到十九世紀末期，由於電機工程學的進步，把電帶進了工業和家庭裡面。在這個電氣研發的黃金時代，日新月異、連綿不斷的快速發展帶給了工業和社會，難以形容、無法想像的巨大改變。做為能源的一種供給方式，電所具有的多重優點，意味著電的用途幾乎是無可限量。例如，大眾交通、取暖、照明、電訊、計算等等，都必須用電為主要能源。來到二十一世紀，現代工業社會的骨幹仍舊依賴著電能源。在可看見的未來，電想必是綠色科技的主角之一[1]。 维基词典上的词义解释： 電 目录 1 歷史 1.1 古代發現 1.2 近代探索 1.3 從物質到電場 1.4 電場與磁場 1.5 從粒子到量子 2 基本概念 2.1 電荷 2.2 電流 2.3 電場 2.4 電勢 2.5 電磁現象 3 電路 4 發電和使用 4.1 發電和傳輸 4.2 用途 5 電和自然世界 5.1 生理效應 5.2 大自然的電現象 6 參閱 7 參考文獻 8 外部連結 编辑 歷史 泰勒斯，最早研究電的科學家 主条目：電磁學史和電機工程史 编辑 古代發現 中国古籍《論衡》（約公元一世紀，即東汉時期）一書中首先有描述靜電的記載[2]：「頓牟掇芥」，頓牟即琥珀，當琥珀經摩擦後，便能吸引像草芥一類的輕小物體。但古代中國對於電並沒有更深入的了解。 在對於電有任何具體認知之前很多年，人們就已經知道發電魚（electric fish）會發出電擊。根據西元前2750年撰寫的遠古埃及書籍，這些魚被稱為「尼羅河的雷使者」，是所有其它魚的保護者。大約兩千五百年之後，希臘人、羅馬人，阿拉伯自然學者和阿拉伯醫學者，才又出現關於發電魚的記載[3]。古代羅馬醫生 Scribonius Largus 也在他的大作《Compositiones Medicae》中，建議患有像痛風或頭疼一類病痛的病人，去觸摸電鰩，也許強力的電擊會治愈他們的疾病[4][5][6]。 阿拉伯人可能是最先了解閃電本質的族群。他們也可能比其它族群都先認出電的其它來源。早於 15 世紀以前，阿拉伯人就創建了「閃電」的阿拉伯字 「raad」，並將這字用來稱呼電鰩[7]。 在地中海區域的古老文化裏，很早就有文字記載，將琥珀棒與貓毛摩擦後，會吸引羽毛一類的物質。西元前 600 年左右，希臘的哲學家泰勒斯（Thales, 640-546B.C.）做了一系列關於靜電的觀察。從這些觀察中，他認為摩擦使琥珀變得磁性化。這與礦石像磁鐵礦的性質迥然不同；磁鐵礦天然地具有磁性[4][8]。泰勒斯的見解並不正確。但後來，科學會證實磁與電之間的密切關係。 吉爾伯特首先發明的靜電驗電器（versorium）是一種可以偵測靜電電荷的驗電器。當帶電物體接近金屬指針的尖端時，因為靜電感應，異性電荷會移動至指針的尖端，指針與帶電物體會互相吸引，從而使得指針轉向帶電物體。 幾千年來，電只不過是學者們好奇的智慧玩意兒。直到 1551 年，才發生了重大的改變。那一年，義大利數學家和醫生卡爾達諾，經過長久地思考，終於領悟出琥珀摩擦所產生的靜電與天然磁石的磁性大不相同。他將找出的不同點做成一個列表。大約五十年之後，英國醫生威廉·吉爾伯特，對於電磁現象做了一個很仔細的研究。他指出琥珀不是唯一可以經過摩擦而產生靜電的物質，並且區分出電與磁不同的屬性[4]。他撰寫了第一本闡述電和磁的科學著作《磁石論》。吉爾伯特創建了新拉丁語的術語「electricus」（類似琥珀，從「ήλεκτρον」，「elektron」，希臘文的「琥珀」），意指摩擦後吸引小物體的性質[9]。這聯結給出了英文字「electric」和「electricity」，最先出現於 1646 年，湯瑪斯·布朗（Thomas Browne）的著作 《Pseudodoxia Epidemica》 （英文書名《Enquries into very many received tenets and commonly presumed truths》） [10]。隨後，科學家奧托·馮·格里克、羅伯特·波義耳、Stephen Gray 、C. F. du Fay 等等，都做了更進一步的研究。 编辑 近代探索 生於十八世紀初，富蘭克林對於電的研究貢獻良多。 在 18 世紀，自學有成的班傑明·富蘭克林對於電的研究有很濃厚的興趣。於 1752 年 6 月，他做了一個古今聞名的風箏實驗。他用絲帕和杉木條製做了一隻風箏，在風箏上綁了一根金屬棍。在連結風箏的風箏線的另一端，又綁了一隻金屬鑰匙。他與兒子，將風箏放到雷雨中，被雨淋濕的風箏線將空中的閃電引到手背骨與鑰匙之間， 他看到一系列的電花，從金屬鑰匙跳躍到他的手背骨上。同時，也感覺到麻電的滋味。他已經證明了閃電是電的一種現象[11][12]。 於 1791 年，路易吉·伽伐尼發表了一篇突破性的論文，宣布發現了生物電性（bioelectricity）。他的實驗示範出，神經細胞是靠著電的媒介，傳達信號到肌肉。1800 年，亞歷山卓·伏打伯爵發明了電池，又稱為伏打電堆，是由浸在鹽水裏，一層一層交替擺放的鋅片和銅片堆積而成。伏打電池給予了科學家一種比靜電發電機 (electrostatic generator) 更穩定的電源。於 1820 年，漢斯·奧斯特發現了電流能夠偏轉指南針的指向。這實驗顯示出電流的磁效應。稍後，安德烈-瑪麗·安培給予電磁學一個結實的數學架構。他們兩個人的努力，成功地開啟了電磁學的發展。於 1821 年，麥可·法拉第發明了電動機。於 1827 年，格奧爾格·歐姆對於電路的分析給出一套精緻的數學理論[13]。 十九世紀早期見證了電磁學快速蓬勃，如火如荼的演進。到了十九世紀後期，應用電磁學的先進知識，電機工程學開始了另一階段的發展。由於發明家像尼古拉·特斯拉、湯瑪斯·愛迪生、喬治·威斯汀豪斯、維爾納·馮·西門子、亞歷山大·貝爾、威廉·湯姆森等等，所做出的貢獻，電已經成為現代生活的必需工具，更是第二次工業革命（Second Industrial Revolution）的主要動力[14]。 编辑 從物質到電場 放电光球 在十八世紀電的量性方面開始發展，1767年約瑟夫·普利斯特里與1785年庫侖發現了靜態電荷間的作用力與距離成反平方的定律，奠定了靜電的基本定律。 在1799年，義大利的亞歷山卓·伏打用銅片和鋅片浸於食鹽水中，並接上導線，製成了第一個電池（伏打電池），他提供首次的連續性的電源，堪稱現代電池的元祖。1831年，英國的麥可·法拉第利用磁場效應的變化，展示感應電流的產生。1851年，他又提出電場線的概念。這是首次強調從電荷轉移到電場的概念。 编辑 電場與磁場 1865年，詹姆斯·馬克士威提出電磁場理論的數學式，這理論提供了位移電流的觀念，磁場的變化能產生電場，而電場的變化能產生磁場。馬克士威預測了電磁波輻射的傳播存在，而在1887年海因里希·赫兹展示出這樣的電磁波。結果麥克斯韋將電學與磁學統合成一種理論，同時亦證明光是電磁波的一種。 馬克士威電磁理論的發展也針對微觀方面的現象做出解釋，並指出電荷的離散性而非連續性的存在，1895年亨德里克·洛倫茲假設這些離散性的電荷是電子，而電子的作用就依馬克士威方程組的電磁場來決定。1897年英國約瑟夫·湯姆森證實這些電子的電性是帶負電性。而1898年由威廉·維恩在觀察陽極射線的偏轉中發現帶正電粒子的存在。 编辑 從粒子到量子 而人類一直以自然界中存在的粒子與波來描述「電」的世界。到了19世紀，量子學說的出現，使得原本構築的粒子世界又重新受到考驗。維爾納·海森堡所提出的「測不準原理」認為一個粒子的移動速度和位置不能被同時測得；電子不再是命定性 (deterministic) 的顆粒；也不是繞著固定的軌道運行。 1923年，路易·德布羅意提出當微小粒子運動時，同時具有粒子性和波動性，稱為波粒二象性，而埃爾溫·薛丁格用數學的方法，以函數來描述電子的行為，並且用波動力學模型得到電子在空間存在的機率分布。根據不確定性原理，我們無法準確地預測到它的位置和動量，但可以用波動力學預測在原子核外每一點電子出現的機率。在尼爾斯·波耳的氫原子模型中，原子在基態時的電子運動半徑，就是在波動力學模型裡，電子最大出現機率的位置。隨著科學的演進，人類逐漸理解「電」的物理量所能取得的數值是不連續的，它們所反映的規律是屬於統計性的。 编辑 基本概念 编辑 電荷 主条目：電荷 電荷是某些亞原子粒子的性質。電荷會產生電磁場，也會感受到其它電磁場的作用力。這所涉及的電磁力是宇宙的四個基本作用力之一。在原子裏，電荷的載子有電子、質子、夸克等等。電荷量是個守恆量。在一個孤立系統內，不論發生什麼變化，淨電荷量都會保持不變。在這系統內，電荷有可能從一個物體轉移至另一個物體，或許是經過直接接觸的機制，又或許是經過像電線一類的導體的傳導機制[15]。靜電指的是存在於一個物體內的不平衡的電荷。有時候，將兩種不同的物質互相接觸或摩擦，就會發生這種狀況，電荷會從一個物體轉移至另一個物體。 在一個金箔驗電器裏的電荷，使兩片金箔葉子明顯地互相排斥。 電荷給出了電磁力：幾個電荷會相互施加作用力於對方。這效應在遠古就已有人曉得，但是並沒有任何人懂得究竟原因為何[16]。假設，將毛布與玻璃棒相互摩擦，使玻璃棒充電。然後，將玻璃棒分別接觸兩個用線繩懸掛在半空中的輕球 A ，B 。我們可以觀察到，這兩個輕球 A ，B 會互相排斥。假若，將毛布與琥珀棒相互摩擦，使琥珀棒充電。然後，將琥珀棒分別接觸另外兩個用線繩懸掛在半空中的輕球 C ，D 。我們可以觀察到，輕球 C ，D 也會互相排斥。但是，輕球 A ，C 會互相吸引。在十八世紀後期，物理大師查爾斯·庫侖曾經研究過這些現象。他推論電荷以兩種形式存在，稱為正性和負性。這發現引領出著名的公理：「同性相斥，異性相吸」。[16] 兩個電荷會相互施加作用力於對方。庫侖定律專門描述這作用力的物理行為。作用力與兩個電荷量的乘積成正比，與兩個電荷之間距離的平方成反比。[15][17]。在四個基本作用力當中，電磁力算是第二強，只亞於強相互作用。但是，不論距離有多遠，電磁力都能夠廣泛地作用於空間的任意位置[18]。兩個電子之間相互作用的電磁力是相互吸引的重力的 1042 倍[19]。從這案例可以看到，與電磁力相比，重力是多麼的微弱。 根據常規，電子載有的電荷是負值；而質子載有電荷是正值。因此，電荷量可以表達為正值或負值。這慣例是因為富蘭克林的努力提倡推行而成立的[20]。電荷量通常標記為 Q ，單位是庫侖（coulomb）[21]。每一個電子載有同樣的電荷量，大約為 −1.6022×10−19 庫侖。質子的電荷量與電子的電荷量相同而異性，為 +1.6022×10−19 庫侖。不只是物質才可擁有電荷，反物質也可以擁有電荷。對應於每一個粒子，其反粒子擁有同量異性的電荷[22] 電荷可以用幾種方法來測量。早期，科學家用驗電器來測量電荷。現在，在課堂上示範，仍舊會使用這方法。但是，大多數實際狀況，都會使用電子靜電計（electronic electrometer）來測量電荷[15]。 编辑 電流 主条目：電流 電荷的移動，稱為電流，通常以安培（ampere）為度量單位。電流可以由任何移動中的帶電粒子構成；通常是電子，但任意電荷的移動就會形成電流。　 根據歷史常規，正電流的流動方向與正電荷的流動方向相同；或從電路的較正值電勢（高電勢）部分流動到較負值電勢（低電勢）部分。這樣定義的電流稱為常規電流。因此，在電路裏，負電荷電子的運動方向，與電流的方向相反[23]。但是，在不同的狀況，會產生不同的電流。帶電粒子往不同方向的流動，可以形成電流。為了要給予科學家一個互相交通的共同語言，通常採用「高流到低常規」。 由於電場太強，造成電崩潰，因而產生的電弧顯示出電流從一根釘子流動到另外一根釘子的路徑。 電流通過某種物質的程序，稱為電傳導，其物理性質隨著帶電粒子和通過的物質的不同而變化。例如，在金屬傳導裏，電子流動於金屬類的導體内；在電解傳導裏，離子流動於電解液。雖然，粒子本身移動的很慢，有時候平均漂移速度小於 1 公厘／秒[15]，作用於粒子的電場的傳播速度接近於光速，這使得電子信號能夠很快速的傳播[24]。 電流會引起一些可觀測的效應。長久以來，很多優良方法都依賴這些效應來辨認電流的存在。於 1800 年，William Nicholson 和 Anthony Carlisle 共同發現，伏打電堆的電流可以將水分解為氧氣和氫氣，這過程稱為電解。後來，於 1833年，麥可·法拉第又將這結果加以延伸[15]。電流在通過電阻的時候，會造成局部性的發熱。詹姆斯·焦耳於 1840年專門研究這效應，並給予精緻的數學解析。漢斯·奧斯特於 1820 年意外地發現了一個電流現象。這是有關電流，最重要的現象之一。奧斯特是一位優秀的教授。每一個月，他都會準備一堂特別課程，專門講述最新的科學發展。有一次，在這特別課程之後的實驗示範時，他試著觀察載流導線的電流，是否會使指南針的磁針偏離其正常方向？剛開始，大家都沒有看出有甚麼不同。懷疑是否電流不夠大，他試著將電流的流量增大，立即，磁針改變了所指的方向。他和學生們都見證到這歷史的一刻[25][26]。 在電機工程或家用電器領域裏，電流時常又分為直流電（DC）及交流電（AC）。這些術語意指電流怎樣隨著時間變化。直流電是一種單向的流動，從電路的較正電勢部分流到較負電勢部分。電池生成的電流是直流電。大多數電子元件的運作都需要直流電源[27]。交流電是多次反覆方向的電流。大多數狀況，電流的形式為正弦波[27]。隨著時間演變，交流電在導體內來來回回的振動，但內含的電荷並沒有任何淨位移的動作。經過時間平均，交流電的電流是零。交流電會被電路内的電容器和電感器等等影響。 它們的電容和電感大大地影響了交流電的物理行為。 编辑 電場 主条目：電場 麥可·法拉第最先提出電場的概念。電荷在周圍的空間產生了電場。在空間內任意位置的其它電荷（檢驗電荷）會因為這電場，而感受到作用力，稱為電場力。電場是電場力與檢驗電荷的電量的比值。假設源頭電荷是正質的，則產生的電場會向外散發，往無窮遠延伸；反之，則電場會往內收斂，終止於源頭電荷。電場與距離的平方呈反比。電場力可能是排斥力，也可能是吸引力。這與重力迥然不同。重力只可能是吸引力。 在平面導體上方的正電荷，散發出來的電場線。 電場定義為在空間某一位置的單位電荷所感受到的靜電力[16]。在這裏，單位電荷必須是靜止的，以免產生磁場。由於靜電力是一個向量，電場也是一個向量，擁有大小和方向。明確地說，它是一個向量場[16]。 靜電學專門講述靜止的電荷所產生的電場。電場可以用一組虛擬的的曲線來想像，在任意位置，曲線的方向跟電場的方向相同。這概念也是法拉第最先提出的[28]。法拉第稱呼這些曲線為電場線。從靜止電荷散發出來的電場線有幾個特性： 電場線開始於正電荷，終止於負電荷。 電場線必須以直角進入理想導體。 兩條電場線絶對不會相交（intersect）；電場線絶對不會與自己相交[16]。 電場線的密度越大，則電場越強。 一個導體，不論實心或空心，所載有的電荷全都分佈於外表面。在導體的內部，電場等於零[15]。這是法拉第籠運作的原理。導體殼會隔離自己內部，不使受到外部的電場影響。假設在導體殼所包圍的空腔內部，嵌入了一些電荷，則導體殼內表面會產生感應電荷。導體殼部分的電場仍舊是零。 當設計高壓電器時，必須注意到靜電學的原理。對於電場，任何介質都有一個能夠承受的最大極限。超過這極限，就會發生電击穿（electric breakdown），在兩個載電體之間的介質，產生電弧，因而使得電荷從一個載電體跳躍到另一個載電體。例如，當電場超過 30 kV/cm 時，夾在微小裂縫内的空氣，會產生電弧。對於較大的裂縫，崩潰的電場會減弱，大約 1 kV/cm[29] 。在大自然裏，最容易見到的電崩潰是閃電。熱空氣的上升會使電荷被分離於不同的雲層，因而使雲層間的電場增強。當這電場超過崩潰電壓梯度（breakdown voltage gradiant）的時候，就會發生閃電。一個平均閃電雲層的電壓大約為 50-100 MV ，放電能量大約為 250 kWh[30][31]。 導體對於其附近的電場有極大的影響。特別是，在尖銳導體的附近，電場會變得非常強烈。避雷針的運作就是應用這簡單的原理。避雷針尖銳的針刺引誘閃電在那裡生成，因而避開其意圖保護的建築物[32]。 编辑 電勢 主条目：電勢 一對 電池， + 符號標示電池的正極接頭。 電勢，又稱電位，定義為單位電荷在靜電場的某一位置所具有的電勢能。電勢為一個純量，大小取決於電勢為零的位置，其數值只具有相對的意義。通常，選取無窮遠為電勢等於零的位置。這樣，在某一位置的電勢，等於電荷從無窮遠，經過任意路徑，等速度地移動到該位置，所做的機械功與電荷量的比值。它的度量單位是伏特（volt）。假設，將一庫侖的電荷從無窮遠等速度地移動到某位置，需要用到一焦耳的機械功，則這位置的電勢為一伏特[16]。這樣定義電勢，雖然很正式，但並沒有什麼實際應用價值。比較有用的概念是電勢差，又稱為電壓，定義為，將單位電荷從某初始位置等速度地移動到某終止位置，所需的能量。電場有一個優良的特性，就是保守性：從初始位置到終止位置地任意路徑，所需的能量都相同，與移動的路徑無關。因此，電勢差是個唯一值[16]。 為了實用目的，科學家時常會為電勢設定一個共同參考點。這樣，可以方便地計算和比較其它位置的電勢。對於物理理論研究，這參考點可以設定為無窮遠。對於電機工程師，比較有用的參考點是地球。他們假定在地球表面的每一個地方，電勢都相同。這地球參考點稱為接地。地球被假定為正電荷或負電荷的無窮的源頭，因此，是電中性，不能夠充電[33]。 兩個同性電荷的電場線和等勢線。 電勢乃是一個純量，大小取決於電勢為零的位置，並沒有方向，其數值只具有相對的意義。電勢可以與高度類比。就好像一個自由落體，由於重力場作用，會從高度高的位置，掉落到高度低的位置；因為電場作用，正電荷會從電勢高的位置，移動到電勢低的位置[34]。類似等高線圖的等高線顯示出同樣高度的點，我們可以描繪一組曲線於一個帶電體的四周，其中，每一條曲線都是由電勢相等的點所構成的，稱為等勢線（equipotential）。等勢線與電場線以直角相交。電勢線平行於導體的表面。 電場的正式定義是單位電荷感受到的電場力。電勢的概念給出更實用的等價定義：電場是電勢的負梯度。電場的單位是「伏特／公尺」 （volt/meter），方向是電勢負梯度最大的方向，也是電勢線最緊密的方向的反方向[15]。 编辑 電磁現象 主条目：電磁學 電流會產生磁場，以右手定則設定的方向環繞著電流。 於 1821 年，在一個示範實驗中，因為電流的影響，指南針的磁針偏離了應指的方向。因此，漢斯·奧斯特發現，環繞著載有電流的電線（載流導線）的四周，存在著磁場。這意味著電和磁之間有一種直接的，密切的關係。還有，這關係所涉及的作用力似乎不同於重力和靜電力，那時候已知道的兩種大自然的作用力。指南針的磁針所感受到的作用力，並沒有使它直接指向電線或背向電線，而是與電線的同心圓呈正切關係[26]。這作用力也與電流的方向有關。當電流的方向逆反時，作用力的方向也會逆反過來[35]。 同時，安德烈-瑪麗·安培也在這學術領域做研究。當他知道了奧斯特的新發現後，在很短的時間內，也發表了自己的研究結果。他闡明，兩條平行的載流導線會相互施加作用力於對方：假若所載電流的方向相同，則會互相吸引；反之，則會互相排斥。更重要地，他找到了表達電磁關係的基本定律，安培定律[36]: ； 其中， 是閉合迴路， 是磁場， 是微小位移元素， 是真空磁導率， 是穿過閉合迴路 的電流。 電動機應用一個很重要的電磁效應：通過一個磁場的電流會感受到作用力，其方向垂直於磁場方向和電流方向。 這磁場和電流之間的關係定律非常重要。於 1821 年，麥可·法拉第應用這定律，發明了電動機。1831 年，法拉第在他另外一個精心設計的實驗裏，又找到一個重要結果。在這實驗裏，設定均勻磁場朝著 z-軸方向，將平行於 x-軸的一根導線朝著 y-軸移動，則在這導線的兩端，會有電勢差產生。仔細的分析這現象，稱為電磁感應，給予法拉第足夠的提示來創見一個新理論。他已經發現了法拉第電磁感應定律：一個閉合迴圈感應到的電動勢與穿過這閉合迴圈的磁通量隨時間的變化率成正比。應用這發現，於 1831 年，他發明了第一台電動發電機，可以將轉動的銅圓盤的機械能轉換為電能[37]。雖然法拉第盤（Faraday's disc）的效率很低，並不實用，但已經展示出應用電磁感應發電的可能性。 法拉第解釋了隨時間變化的磁場是電場的場源。於1861 年，詹姆斯·馬克士威又提出來位移電流（displacement current）的概念。安培定律，因為這概念，得以滿足了電荷的連續性方程式；也因此，隨時間變化的電場又成為磁場的場源。所以，當任何一個向量場隨著時間變化，那麼，必定會感應出另外一個向量場[16]。這現象有波動的性質，自然地被稱為電磁波。於 1864 年，馬克士威推導出一組方程式，毫無疑問的描述了電場、磁場、電荷、電流，這些物理量的相互關係。更令人驚訝地，他證明出電磁波的傳播速度是光速。因此，光波本身就是電磁波的一種形式。馬克士威方程組，統一了光波、電磁場和電荷，是理論物理的一個偉大的里程碑[16]。 编辑 電路 主条目：電路 一個簡單的電路，位於左邊的電壓源 驅使電流 流動於電路，傳送電能到電阻為 的電阻器。然後，電流回到源點，結束環繞閉合迴路一周。 電路聯結了許多不同種類的電機元件於其閉和迴路。在電路的閉和迴路內，由源點傳送出去的電荷必須回到源點，這樣，才能滿足電荷守恆定律。 電路裏的有許多種不同的電機元件，包括電阻器、電容器、開關器（switch）、變壓器和電子元件等等。電子電路的主動元件，大多是半導體，通常會表現出非線性行為，必須用複分析來解析。最簡單的電機元件是線性的被動元件。雖然它們可能會暫時儲存能量，它們並不是能量源。對於任何刺激，它們會表現出線性響應[38]。 電阻器是一種簡單的被動電機元件。顧名思義，電阻器阻礙電流的通過，以熱能的形式耗散其能量。歐姆定律是電路學的一個基本定律。這定律闡明，一個電阻器兩端的電勢差與通過的電流成正比，其比例常數稱為電阻。甚至連導體都會有微小的電阻。金屬是導體。金屬線的電阻主要是因自由電子移動於金屬線所遭到的碰撞而產生的。在適當的溫度值域和電流值域，大多數物質的電阻都會保持相當穩定。在這值域內，物質被稱為具有歐姆性。電阻的單位是歐姆 （ohm），是因格奧爾格·歐姆而命名，標記為希臘字母 。對於 1 ampere 電流，1 ohm 的電阻會造成 1 volt 電壓[38]。 電容器是另一種常見的電機元件。它能夠儲存電荷，同時儲存電能於其電場。基本而言，電容器是由兩片平行金屬板所組成的，導體之間夾有絕緣質或電介質。實用上，為了要增加單位體積的表面面積，工程師會將薄金屬頁滾捲在一起。這樣，可以增加電容。因麥可·法拉第而命名，電容的單位是法拉（farad）。假若電容器因為儲存了 1 coulomb 而產生 1 volt 電壓，則其電容是 1 farad 。一個電容器，當連結到一個電源時，剛開始會有電流出現，異性電荷會分別累積於兩片金屬板。但是，隨著電荷的累積，這電流會慢慢地減少，最終減為零。因此，電容器不會允許有穩定的電流；相反地，它會禁止電流的穩定流通[38]。 電感器通常是一捲螺線管，響應通過的電流而儲存能量於磁場。隨著電流的變化，螺線管內部的磁場也會變化。因為電磁感應，會產生電動勢於電感器的兩端。電動勢與電流對時間的導數成正比。其比例常數稱為電感。因約瑟·亨利而命名，電感的單位是亨利（henry）。假若電感器因為其通過的電流以 1 ampere/second 變化，而產生 1 volt 的電壓，則其電感是 1 henry[38] 。在某些方面，電感器與電容器的物理性質恰恰相反：電感器允許穩定的電流，抗拒隨時間快速變化的電流。 编辑 發電和使用 编辑 發電和傳輸 主条目：發電方式 風力發電是一種很重要的綠色科技。 泰勒斯的琥珀摩擦實驗是科學史上第一個有關發電的實驗。雖然這實驗的結果，稱為摩擦起電效應（triboelectric effect），能夠吸引輕微的物體，或發出火花，但產生電力的效率很低[39]。一直要等到十八世紀，亞歷山卓·伏打伯爵發明了伏打電堆之後，才有一種比較實用的電源。伏打電堆和其現代的改良版本，電池，能夠儲存化學能，並在需要時，將其轉成電能[39]。電池可以理想地適用於很多地方，是一種很常見的電源。但是，電池的儲存能量有限，一當儲存的電能用完，就必須重新充電或丟棄。對於長時間地，高額度地用電，必須連續地發電、連續地傳輸至用戶。這樣，才能確保不至缺電。 通常，機械-電磁轉換模式的發電機使用化石燃料燃燒或核反應而產生的熱能（thermal energy），可以製造大量的水蒸氣來驅動渦輪，從而產生電力；或者使用其它能源，像風力或水力萃取的動能來驅動渦輪發電。這種發電機的外形絲毫不像法拉第於 1831 年發表的同極發電機（homopolar generator）。但是，它所根據的仍舊是法拉第的電磁原理：一個隨時間變化的磁場，因為電磁感應，會產生電動勢於一個閉合迴圈[40]。感謝十九世紀後期的變壓器的發明，以高電壓，低電流的方式，可以增加電力傳輸效率。這意味著發電功能可以集中於位置較遠的中央發電場。大型的發電廠更能受益於規模經濟，所生產的電力也可以傳輸至相當遠的地方使用[41]。 由於電力無法大量的儲存，大多數時候，電力公司（electric utility）必須生產所有的需求。因此，電力公司必須仔細的估計電力需求，根據這估計來計畫電力的生產。為了給予電力網路足夠的彈性來應付偶發狀況，像極端惡劣天氣、機器故障、等等，電力公司還必須預留一部分發電能力。 隨著國家的進步，經濟的發展，電力需求急速地增加。例如，在二十世紀的前三十年，美國的電力需求，每年都會增長 12% [42]。新興經濟，像印度或中國的經濟，也正在經歷這樣快速的增長率[43][44]。 由於人類的生存環境不斷惡化，地球資源急速短缺，許多電力公司都開始採取可再生能源發電的策略，特別是採用風力發電、水力發電、太陽能發電。雖然，有關各種不同發電方法對於環境利弊的辯論仍舊繼續在進行中，尚未能成定論。但一般而言，假若純粹將電力當做一種能源看待，那麼，這是一種相當乾淨的綠色能源[45]。 最近，传感器网络是用来监视有效利用电力，如日本的例子。 编辑 用途 愛迪生發明的電燈泡帶給人們很大的便利。其運作原理是焦耳加熱：由於電流的通過電阻，產生了熱能和電光。 電力是一種很具彈性的能量形式，能夠適用於日以劇增，多不盛舉的用途。例如，於 1870 年代出現的電燈泡，具有極大的實用價值的。由於這發明，人們不再需要使用蠟燭或煤油來照明，因而得以避免了很多可能發生的火災[46]。 電燈泡所應用的焦耳加熱（Joule heating）效應，也可以應用於電力取暖（electric heating）方面。對於這用途，電力取暖有三大優點：便利使用、容易控制、安全潔淨。但是，電力取暖有個很大的缺點，那就是，與燃煤取暖或燃油取暖相比，它的效率比較低[47]。關於冷凍用途方面，電是一個很實用的能源。安裝在住家和辦公室內，冷氣機的使用帶給人們很大的舒適。但是，冷氣的用電量也很大。對於這問題，電力公司大力宣傳提倡智慧地使用冷氣[48]。 電訊科技主要是依靠電來傳達資訊。於 1837 年，William Cooke 和 Charles Wheatstone 展示出第一座具有商業潛力的電報機（electrical telegraph）。1860 年代，隨著橫貫美國大陸電報系統（First Transcontinental Telegraph）的建立，以及十幾年後橫貫大西洋電報系統（transatlantic telegraph cable）的建立，從地球的這一端到地球的那一端，使用電報機制，只需要很短幾分鐘時間，人們就可以即時地獲得訊息。現今，光導纖維和通訊衛星這兩個先進科技，佔有了通訊科技市場的一大部分。它們所使用的傳輸科技仍舊是建立於電磁波原理。 電動機應用電磁原理，將電能轉化成機械能的形式，來驅動各種各樣的機械。電動機是一個乾淨的、有效率的工具。一個固定不動的電動機，像絞車（winch），可以很容易地供予能源。但是，移動的電動機，像電動車，必須隨身帶著像電池一類的能源裝備，或者用取得電能的滑動接觸，像集電弓。這要求限制了其行動範圍和工作性能。 電子元件使用到電晶體，是二十世紀最重要的發明之一[49]。電晶體是所有摩登電子電路的基本元件，最先進的積體電路在小小幾平方公分的面積可以內嵌幾十億個微小的電晶體[50]。 雖然人類使用電已有非常久的歷史，但各個地方提供的電壓和電源插座還是不盡相同，參見家用電源列表。 编辑 電和自然世界 编辑 生理效應 主条目：電擊 施加電壓於人體，會造成電流的流過人體內部組織。雖然在人體內，電壓與電流的關係為非線性，電壓越大，電流也越大[51]。隨著供給頻率的改變，電流路徑的不同，感覺底限也不一樣。對於電路主幹的頻率，感覺底限大約是 0.1 mA 到 1 mA 。但是在某種狀況下，甚至電流小到 1 µA 都可以被感覺得到，能使肌肉發生纖維性抽搐[52]。假若，電流太大，則會造成肌肉收縮、心臟纖維性顫動（fibrillation）、組織灼傷等等[51]。 由於導體是否通電，很難從外表判斷出來，一不小心，就很容易觸電，所以，電源是一種非常特別的危險源。電擊可能會造成的極劇疼痛，時常會被黑心人士用來刑求，稱為電刑。在刑法裏，電刑處死也是一種處死的方法。 编辑 大自然的電現象 一隻電鰻正在尋找獵物。 電並不是純粹人為的發明。可以從大自然觀察到的電現象很多。最為人知的現象是閃電。在微觀層級，很多熟悉的作用，像接觸、摩擦、化學鍵等等，都是由原子尺寸的電場作用產生的。地球核心的循環電流造成了的地磁場[53]。某些晶體，像石英，或者甚至砂糖，當感受外部壓力時，會在不同的表面之間產生電壓[54]，這現象稱為壓電效應，從希臘文（πιέζειν），就是「壓榨」的意思，是 1880 年由皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟發現的。逆反過來，當施加電場於一個壓電物質時，物質的尺寸會有小小的改變[54]。 有些生物，像鯊魚，能夠偵測和響應電場的改變。這種能力稱為電感受（electroreception）[55] 。還有些生物，能夠自身製造高壓電，用來攻擊對方或防衛自己。電鰻亞目裏的生物，最著名的例子是電鰻（electric eel），用改變了的肌肉細胞，稱為發電細胞（electrocyte），所製造的高壓電，來偵測或電昏其獵物[6][5]。所有的動物，沿著牠們的細胞膜以電壓搏動，稱為動作電位，來傳達資訊。動作電位的功能包括神經系統的神經元與肌肉之間的訊息傳遞[56]。 電擊會刺激這系統，使肌肉收縮[57]。動作電位也負責協調某些植物的功能 [56]。 编辑 參閱 發電廠 高斯定律 安培定律 量子電動力學 電學 体系 電子學 | 電磁學 | 電路學 | 電力學 | 半導體學 | 靜電學 電 | 電荷 | 電子 | 電洞 電子材料 | 電阻 | 電感 | 電容 | 二極體 | 半導體 | 記憶體 | 積體電路 编辑 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