电
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?
力
电是一种力。
电是宇宙四种基本力之一。
电背后的原理是:
基本粒子可以有 +1 或 −1 的电荷:
- + 排斥 +
- − 排斥 −
- + 和 − 互相吸引
简单地说:
同性相拒、异性相吸。
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:
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):
在中间的原子核是由质子和中子合成,而电子则环绕着原子核运动:
- 质子的电荷是 +1
- 中子没有电荷
- 电子的电荷是 −1
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和电子,所以总电荷是零。
但是,电子可以被撞掉!
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:
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!
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
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。
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:
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:
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。
我们需要的是连续的电流。
电流叫流,因为它与水流相似:
但怎样产生电流?
用磁铁!
电力与磁力是互相关联的,合起来就叫电磁:
变动的磁场产生电场。
(变动的电场也产生磁场)
在电线旁边移动磁铁导致电子沿电线走动(按 "Move"):
附注:
- 其实有非常多原子:一小段电线有超过 1022(10,000,000,000,000,000,000,000)个原子
- 在电线里,电流的速度大约是光速的一半,
- 但每个电子移动的距离其实很短,因为它很快和一个原子结合,然后这个原子就可能释放出另一个电子……
- 所以每个电子大部分时间都是在一个或不同的原子里,可能要数小时才能在电线里走一米的距离
- 并且,电子时常随机地跳来跳去,如图所示
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:
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:
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
- 电是一种基本的力
- 静电在合适的情况下会释放出来
- 磁力与运动会产生电流
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!