电学

电学（electricity）又称电磁学，是物理学的分支学科之一，研究内容主要是以“电”的形成及其应用为主。“电”一词在西方是从希腊文“琥珀”转意而来的，在中国则是从雷闪现象中引出来的。电学的基本内容包括静电学、静磁学、电磁场、电路、电磁效应和电磁测量。

当物体之间有电相互作用时，我们说这些物体处于带电状态，称其为带电体，或者说物体有了电荷。通过对带电体间相互作用规律的研究，人们发现电荷有两种——正电荷和负电荷，以及他们之间存在着这样的规律：同种电荷的相互排斥，异种电荷的相互吸引。通过实验，可以根据物体间电相互作用强弱可以确定物体带电多少。表示物体带电多少的物理量称为电荷量，简称电量，通常用q来表示。国际单位制中，电量的单位为库仑，用C表示。

电荷在电场力的作用下形成电流，电压是衡量电场力移动电荷做功能力的物理量，通常用字母“U”表示，国际单位为V（伏）。电路中，规定两点之间由高电位指向低电位，即电位降的方向为电压的实际方向。电压的方向一般用正负极性表示，“+”表示高电位端，“-”表示低电位端，也可以用双下标表示，例如a、b之间的电压

，表示的参考方向是由a指向b，即

。

电阻是指导体对电流阻碍作用的大小，一般用字母“R”表示，国际单位是欧姆（

），计量高电阻时，常以千欧（

）或兆欧（

）为单位。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大，反之亦然。不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种性质，它的大小一般与导体的材料、长度、横截面积有关。

电流是指电荷在电场的作用下的定向移动形成的，从微观上看，电流实际上是带电粒子的定向运动，通常把形成的带电粒子称为载流子。电流的大小称为电流强度（简称电流，符号为I），是指单位时间内通过导线某一截面的电荷量，电流的国际单位为安培（A），其他的单位还有千安（kA），毫安（mA），微安（

A）。电流是标量，历史上把正电荷从高电势向低电势的方向规定为电流的方向，因而电流的方向与自由电子移动的方向相反。

电路是由电子元器件或电子设备通过导线按照一定规则互连而成的电流通路，通常以网状形式呈现。电路的状态有三种：接通的电路叫通路；断开的电路叫断路；直接用导线把电源的两极（或用电器的两端）连接起来的电路叫短路。电路有两种连接方法：一种是将几个电阻按顺序依次连在一起，组成无分支的电路，叫做串联；另一种是把两个或两个以上的电阻接在电路中的两点之间，使每一个电阻两端都承受同一电压的连接方式叫并联。

电路

德国物理学家乔治·西蒙·欧姆在1826年提出了“欧姆定律”，欧姆定律的内容是：在同一电路中，通过某段导体的电流与这段导体两端的电压成正比，与这段导体的电阻成反比。它的定义式为

（式中的I、U和R都是同一段电路的物理量），通过这个公式我们也可以得到它的两个变形公式“U=IR”和

。

法国物理学家安培通过实验表明：磁铁周围存在磁场，电流周围也有磁场，它们之间的相互作用是通过磁场进行的。它和电场一样也是客观存在的特殊物质，它对外界的重要表现是：磁场对进入其中的运动电荷产生洛伦兹力作用，对通电导体产生安培力作用；磁场会对在其中运动的通电导体做功，表明磁场具有能量。

麦克斯韦对库仑、安培、法拉第等电磁学说的所有成果进行了较为系统的总结，并据此提出了涡旋电场与位移电流的假说，他指出：不但变化的磁场可以产生涡旋电场（有旋电场），而且变化的电场也可以产生磁场。在相对论产生之前，麦克斯韦就揭示了电场和磁场的内在联系，把电场和磁场统一为电磁场，归纳出了电磁场的基本方程——麦克斯韦方程组，从而构建了一套完整的电磁场理论体系。

关于电的记载最早可追溯到公元前6世纪。早在公元前585年，古希腊的哲学家泰勒斯就曾记载用木块摩擦过的琥珀能够吸引碎草等轻小物体，而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。但在随后的两千多年里，人们把这种现象看作是一种物质的特性，就像磁铁对铁块的吸引，此外没有什么其他重大的发现。在中国的历史上，早在西汉末年已有“瑇瑁（玳瑁）吸（细小物体之意）”的记载；在晋朝时期，还有进一步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”。

早在1600年，英国的物理学家吉尔伯特就发现，除了琥珀和煤玉，还有许多其他的的物质，在经过摩擦之后也具有吸引轻小物体的性质，但他注意到，这些物质经摩擦后并不像磁石那样具备指向南北的性质。于是他采用希腊字母“琥珀”来表示它和磁性的区别，并将其命名为“电的”。吉伯在实验期间制作了第一只验电器，那是一根中心固定可以旋转的金属细棒，可以随着摩擦过的琥珀移动而旋转，并指向琥珀。

吉伯在实验中制作了第一只验电器

大约在1660年，马德堡的盖利克发明了第一台摩擦起电机，其工作原理是用硫磺做成一个如地球仪一样可旋转的球体，然后用干燥的手掌摩擦转动球体，使之获得电。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，一直到19世纪霍耳茨和推普勒分别发明感应起电机后才被取代。

1734年，法国的杜法伊发现摩擦玻璃棒或摩擦胶木棒时，棒上所带电的性质不同，并发现“同性相斥、异性相吸”的现象。1745年，荷兰莱顿的穆申布鲁克发明了能保存电的莱顿瓶。莱顿瓶的发明，为电学的深入研究创造了条件，也为电学的普及起到了重要作用。与此同时，美国的富兰克林在这一时期做了许多有意义的工作，使人类对于电学的知识得到了进一步的发展。1747年富兰克林借用数学上的正、负来代表电荷的性质，首次给出了正电和负电的名称。他认为等量异号的电荷相遇，将通过放电使正负电相抵消而中和。1780年，意大利的科学家伽伐尼将莱顿罐的电流穿过青蛙的腿，看到了肌肉的痉挛收缩。他认为这种电现象可以通过肌肉收缩获得，这一点是正确的，但是他未能提供证，他将这此效果归为他所称的“生物电”。1785年，法国科学家库仑设计了著名的的扭秤实验，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。库仑的实验带有直观性和定量性质，成果发表之后就广泛流传并为科学界所接受，称之为库仑定律。之后，法国数学家泊松和德国数学家高斯根据库仑定律推导出泊松方程和高斯定律。至此，静电学的基础已经形成。

1800年意大利物理学家伏特发表了《关于不同导电物质接触时产生电的问题》的论文，阐述了两种金属一接触就产生电这一现象，并发明了在稀硫酸中放入铜与锌电极的伏特电池，使电学的研究发生了一次变革，电压的单位“伏特”就是以他的名字命名的。1807年，戴维利用庞大的电池组先后电解得到钾、钠、钙、镁等金属；1810年，戴维把2000个伏特电池连在一起，进行了弧光放电实验。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年由西门子等人发明的。1820年，丹麦人奥斯特发现了电流的磁效应。首次建立起电和磁之间的关系，诞生了电磁学。1820—1827年，法国物理学家安培通过一系列实验发现了安培定则（描述磁针转动方向和电流方向关系的右手定则），发现了电流的相互作用规律（电流方向相同的两条平行载流导线互相吸引，电流方向相反的两条平行载流导线互相排斥），以及发明了电流计，提出了分子号流假说，总结了电流元之间的作用规律——安培定律（两个电流元之间的相互作用与两个电流元的大小、间距以及相对取向之间的关系）。1831年，英国科学家法拉第经过多次重复实验后，提出了具有划时代意义的电磁感应定律（一个线圈中产生的感应电流，其大小与单位时间中线圈所割切的磁力线多少成正比，与线圈的电阻成反比），并发明了世界上第一台直流电动机。法拉第的电磁感应定律，在电流生磁之后发现磁生电，使电磁之间的关系接近完备，有重大的理论意义，使电磁学有了飞速的发展。此外，法拉第把电现象和其他现象联系起来广泛进行研究，在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，并解释了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，并首次用实验证实了电荷守恒定律。

电学之父法拉第

1865年，麦克斯韦在总结前人工作的基础上，引入位移电流的概念，建立了一组微分方程——麦克斯韦方程组。它确定了电荷、电流（运动的电荷）、电场、磁场之间的普遍联系，是电磁学的基本方程。1887年，德国科学家赫兹进行了著名的电磁波实验。实验不仅证明了电磁波的存在，并且表明电磁波与光有同样的反射、折射、散射等性质。他的发现具有划时代意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来命名各种波动频率的单位。

20世纪，随着原子物理学、原子核物理学和粒子物理学的不断发展，人们对电磁场和带电粒子之间的相互作用的问题上，经典电磁理论遇到困难。尽管经典理论已经给出了很多有益的结论，但很多现象却无法用经典理论来解释的。经典理论理论存在两个缺陷：一是没有考虑到带电粒子的波动特性，二是没有考虑到电磁波的粒子性。从量子物理学的角度来看，不管是物质粒子还是电磁场，它们都具有粒子性和波动性。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。

电学的研究基本内容主要包括静电学、静磁学、电磁场、电路、电磁效应和电磁测量。

静电学是研究静止电荷产生电场及电场对电荷作用规律的学科。电荷分为两种，一种是正电荷，一种是负电荷，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。由电荷守恒定律可知，电荷可以在物质之间传递，但是在物理过程中，电荷的总量却是恒定不变的。带电实际上是正、负电之间的分离和转换；而电荷的消失，实际上就是正负电荷的中和。静止电荷之间相互作用力遵循库仑定律：在真空中两个静止点电荷之间作用力的大小与其电荷量之积成正比，与它们两点之间距离的平方成反比。这种相互作用力是由电荷产生的电场相互作用而产生的。物质根据导电性能的不同可以划分为导体和绝缘体，在导体中，存在可以移动的自由电荷，而在绝缘体中，只有束缚电荷。

静磁学是研究电流稳恒时产生磁场以及磁场对电流作用力的学科。电流是电荷定向流动形成的。电流之间通过磁场相互作用，磁场传递电流在空间中产生磁场，并对电流施加作用力，产生磁感应强度。

电磁场是研究随时间变化下的电磁现象和规律的学科。当穿过闭导体线圈的磁通量发生变化时，线圈上产生感应电流，并根据楞次定律确定其方向。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。

磁场

麦克斯韦在总结库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的研究成果的基础上，结合他自己提出的涡旋电场和位移电流的概念，构建了一套完备的电磁理论体系，提出了麦克斯韦方程组，深入、全面地揭示了电场和磁场之间的内在相互依存的关系，阐释了电磁场是一个统一的不可分割的整体，将其与物质的介质方程、洛仑兹力公式以及电荷守恒定律有机地联系在一起，可以从原则上解决各种宏观电动力学问题。在此基础上麦克斯韦根据麦克斯韦方程从理论上得出电磁波存在的预言和光是电磁波的论断。1888年赫兹用实验证明了电磁波在空间的传播，在此之后电磁波在无线电通讯中得到广泛的应用，成为当代文明生活的重要组成部分。麦克斯韦关于光是电磁波的论断把电学、磁学和光学统一了起来，这一发展成为19世纪科学史重要的成就。

电磁理论

电路由电子元器件或电子设备通过导线按照一定规则互连而成，通常以网状形式呈现根据工作电流或电压的不同，电路可分为直流电路和交流电路：以直流电压或电流工作的电路叫直流电路，以交流电压或电流工作的电路叫交流电路。

根据稳恒时电场的性质、导电基本规律以及电动势的概念，可以推导出欧姆定律和基尔霍夫电路定律等与直流电路有关的应用规律。此外，还存在等效电源定理、叠加定理、倒易定理以及对偶定理等，能够有效解决复杂电路问题的简便定理，这些实用定律与定理共同构成了电路计算的理论基础。而交流电路要比直流电路更加复杂，由于电流的随时间的变化导致了空间电场、磁场的改变，所以会产生电磁感应、位移电流，也会产生电磁波。

物质中的电磁效应是连接电学与其他物理学科（甚至非物理的学科）之间的纽带。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。比如：电致伸缩、压电效应、逆压电效应、塞贝克效应、珀耳帖效应、汤姆孙效应、热敏电阻、光敏电阻和光生伏打效应等等。这些电学效应的研究，不仅可以帮助我们理解物质的结构，更可以帮助我们更好地理解物质中发生的基本过程，同时，也可以作为能量转化与无电化学测量的基础。

电磁测量是电学的组成部分。测量技术的发展和学科理论的发展是密不可分的，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的测量，以及有关的其他量（交流电的频率、相角等）的测量。各类特殊仪器（如电流表，伏特计，欧姆计，磁强计等）及测量电路，都是根据电磁学的基本原理进行设计制造的，它们可以满足多种电磁学量的测量。而非电量（长度、速度、形变、力、温度、光强、成分等）的电学测量也是电磁测量的关键。其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。电学测量因其准确度高、量程宽、惯量小、操作简单、可远程遥测和测量技术自动化等优势而得到了不断地发展。

常见电学的物理量

电学作为经典物理学的一个分支，在基本原理上已发展得相当完善，它可以用来解释宏观范围内的各种电磁现象。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；而电学过程又是自然界的基本过程。所以，电学在物理的各个方面都得到了广泛的应用，是对物质过程的研究不可或缺的依据，此外，这也是研究化学和生物学等某些基元过程的重要依据。另一方面，电与其他运动形式之间的相互转换具有方便，传递迅速、准确，便于控制等优势，因而在能源的合理开发、输送和使用方面起着重要作用，使得人类能够更广泛、更有效、更方便地利用各种可利用的能源。电技术在实现机电控制和自动化、信息的传递与处理以及利用各种电效应实现非电量的电测方面也有着重要意义。

人类近十万年以来，用篝火、火把驱走日落后的黑暗，直到约六千年前才出现灯光照明。历史上记载最早用动、植物油点灯的是公元前四千年左右在埃及王室墓穴里。大约在公元前五百年，人们有用石蜡照明，随后有用鲸油烛、蜡烛。到十八世纪初期开始用煤气灯和煤油灯。科学家们为了研究电力发光的尝试，曾经历了七、八十年的时间。1807年7月，英国戴维在皇家社用两千个电池组作为电源，利用两根不相接触的碳极产生电弧，创制成碳极电弧灯，开始把电能应用于照明，直到1879年爱迪生发明白炽灯后，才被淘汰。日光灯于1939年诞生，是一种低压汞灯，光色接近日光，光效达601m／W，寿命长达7000h左右。

爱迪生发明电灯

美国莫尔斯（S.F.B.Morse，1791一1872）是有线电报的发明者。他于1837年研制成功世界上第一台传递电码的电磁式实用电报机——莫尔斯电报机，并且曾在纽约公开表演。美国的贝尔根据赫尔姆霍茨的声学研究进行了实验，于1876年发明了有线电话，在费城一百周年纪念展览会上公开实验。

1920年11月，美国威斯汀豪斯电气公司首次在匹兹堡建立广播电台KDKA，这是世界上第一座无线电广播电台。不到数年，欧、美各国广播电台如雨后春笋地建立起来。在无线电收音机方面，美国物理学家费森登（R．A．Fes—senden）作出了重要的贡献，他设计了一种系统来对无线电波进行“调制”，使高频交流发射器能携带声波信号。通过不断实验，终于在1906年圣诞节前夜，无线电收音机里首次传出了音乐和说话的声音。1918年，他又发明超外差式回路，为现代化无线电远距离收听的发展打下了基础。

电影的发明，起源于美国医生罗吉特（P.M.Roget），他在1824年最先观察到视觉的暂留现象。成功创制成世界上第一部影片的是爱迪生，他使用长条形胶卷，拍摄下一连串影像，于1894年放映。电视在出现前的技术发展过程约有半个世纪。1873年，英国约瑟夫梅发现光线照射到含硒[xī]（Se）的物体上有异常现象。1897年，布朗展示了第一只阴极射线管，后来俄国罗森将它利用到“电气视象”中去。英国贝尔德（J．L．Baild）于1926年制成了第一台简易电视机，曾在伦敦皇家学院表演过，同年6月，这架电视机安放在一家人商店首次公演，轰动了全世界。

电子计算机是电的应用于人类文明的最新成果。它的出现虽然很晚，但技术更新神速，不到四十年已发展为第五代。1946年2月15日，世界上第一台电子计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学宣告诞生，ENIAC中文译做“埃尼阿克”。研制小组由埃克特、莫克利、戈尔斯坦和博克斯组成，总工程师埃克特当时只有24岁。这台计算机研制的初衷是将其用于二战中，但直到二战结束一年后才完成。五十年代中期第二代电子计算机问世，其基本电路采用晶体管，以1953年发明的磁芯为主存储器，并出现了程序设计语言。六十年代初，大型晶体管计算机问世，运算速度提高到每秒数十万次，1964年运算速度每秒二、三百万次电子计算机宣告制成。六十年代中期，出现采用集成电路（把晶体管、二极管、电阻、电容、电感等分立的元件做在一块硅片上）的第三代电子计算机，它的体积，重量、功率消耗明显减小，大大提高了可靠性，格价也大幅度下降。到了七十年代，集成电路的集成度，提高到大规模、超大规模集成电路的水平，出现了第四代电子计算机。这一代计算机的逻辑、存储元件集成度达到1000—10000个，计算机体积缩小了30万倍，重量仅500克，电功率只需两节电池。八十年代初期，为了争夺世界范围内信息技术的制高点，各国展开了研制第五代计算机的激烈竞争。第五代计算机的研制推动了专家系统、知识工程、语言合成与语音识别、自然语言理解、自动推理和智能机器人等方面的研究，逐渐出现了生物计算机、光子计算机、超导计算机、量子计算机等。

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