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第2章 常见电学基本概念

一、电和电荷

电是物体本身的一种性质,不是外界加给物体的。现代科学指出,物体是由大量原子组成的,原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成的,电子在原子核周围高速旋转运动着。同一个原子中,正负电量相等。在正常情况下,物体的正负电量相等,物体呈中性,即显示不出是带正电或负电。而当物体受到摩擦作用、热的作用、化学作用以及其他一些作用时,会失去一部分电子后而带正电;或得到额外电子而带负电。

我们把物体、原子或电子等所带电量的最小单元叫做电荷,单位是库仑,用C表示。带正电的粒子叫正电荷(表示符号为“+”),带负电的粒子叫负电荷(表示符号为“-”)。但电荷本身并不是粒子,只是人们为了描述方便把它想象成粒子。

二、同性相吸和异性相斥

电荷周围有种特殊的物质,叫做电场。电场、磁场、引力场等等叫做“场”的物质,虽然和分子原子组成的实物不同,我们看不见摸不着,但它确实存在。由静止电荷产生的电场叫静电场,由变化的磁场产生的电场叫感应电场。

这个“场”能传递作用力,在和别的物质相互作用时能够表现出自己的特性。所以两个不直接接触的带电体,它们之间也有相互作用,表现为带有同种电荷的物体之间会互相排斥,带有异种电荷的物体之间会互相吸引。

三、静电感应

假设有个导体带有正电,把另一个不带电的导体逐渐靠近它但不接触它,在它的电场作用下,这个不带电导体的两端就会出现一种现象:接近带电导体的一端带负电荷,远离带电导体的一端带正电荷;而且正负电荷数量相等。这样,放入静电场中的导体,在电场力的作用下,它的自由电子重新分布,结果使导体两端出现正、负电荷,我们把这种现象叫做静电感应。

四、气体放电

自然界中最常见的气体放电现象就是雷电现象,为什么这么说雷电是放电现象呢?我们知道,春夏季节气流变化大,急剧上升的气流与云中的水滴或冰晶发生撞碰、摩擦,使云块带上电。在两块带相反电荷的云块之间,或带电的云与大地之间,就形成了很强的电场。这种电场发生放电现象时(即带电体的电荷消失而趋于中性),产生的明亮的电火花叫闪电,产生的巨大的响声叫雷声。云和大地之间电场的放电现象叫做落雷,能对人、畜、森林、建筑物等造成危害。

五、电磁感应

如果我们把导线切割磁力线就会处在变化不定、时多时少运动状态中,此时,导线中就会有电流产生的现象,这就是电磁感应现象。导线中所产生的电流,则叫做感生电流。发电机就是按照这个原理制成的。

麦克斯韦进一步指出了,变化着的磁场在其周围产生了电场,这个电场使导线中的自由电子受到了力的作用,就沿着导线运动起来,产生了感应电流。因此,电磁感应的本质是变化的磁场产生电场。

六、导体和绝缘体

物体的导电能力取决于自由电荷的多少,根据导电能力的大小,我们把物体分为导体和绝缘体。导体中有能够自由移动的电荷,而绝缘体中几乎没有自由移动的电荷。

在金属导体中,能够自由移动的电荷是电子,叫做“自由电子”;在酸、碱、盐的水溶液中,能够自由的电荷是正离子和负离子(离子是原子失去或获得电子后形成的带电粒子)。绝缘体中原子核对电子“管束”很严,电子被束缚得“死死的”,几乎不能自由移动。

当然,导体和绝缘体也没有绝对界限,绝缘体受潮后也会导电。导电性能介于导体和绝缘体之间的物体,叫做半导体。半导体的导电性能受光照、温度变化等影响很大,在“掺杂”时导电性能变化也很大,如在纯净的半导体中掺入少量的杂质,就能大大增加导电性。

七、电源

电源是指由非电能转换成电能的装置,即把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。发电机能把机械能转换成电能,干电池能把化学能转换成电能。发电机、干电池等叫做电源。通过变压器和整流器,把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。能提供信号的电子设备叫做信号源。晶体三极管能把前面送来的信号加以放大,又把放大了的信号传送到后面的电路中去。晶体三极管对后面的电路来说,也可以看做是信号源。整流电源、信号源有时也叫做电源。

八、电流

我们把电荷按照一定的方向进行移动叫做电流,或者说形成了电流。摩擦起电产生静电,它形成的电流只能存在一瞬间。电池、发电机产生的电流则可以持续不断。电流也有方向,习惯上把正电荷定向移动方向规定为电流的方向。但实际上在金属导体中的电流方向跟自由电子移动的方向恰恰相反。

产生电流必须具备两个条件:1、导体内要有可以移动的自由电荷;2、导体内要维持一个电场。电流又分为直流和交流两种:电流的大小和方向都不随时间变化的叫做直流;电流的大小和方向随时间变化的叫做交流。电流的单位是安(A),也常用毫安(mA)、微安(μA)做单位。1A=1000mA,1mA=1000μA。

电流可以用电流表测量。测量的时候,把电流表串联在电路中,要选择电流表指针接近满偏转的量程。这样可以防止电流过大而损坏电流表。

九、电压

你知道是什么力量使电荷流动吗?众所周知,“水往低处流”,原因是高处与低处的水位不同,水压不同,水压使水流动。和水流一样,电流也往“低”处流,在电源的正极上有多余的正电荷,负极上有多余的负电荷,这种电位高低的差别,就使电路中出现了电压。电压就是电荷定向移动、形成电流的原因。换句话说,电压是使电荷流动的力量。

物理中说的电压,是指电场或电路中两点之间的电位差,电压是衡量电场做功能力大小的物理量。用字母U表示。其单位是伏(V),也常用毫伏(mV)、微伏(μV)做单位。1V=1000mV,1mV=1000μV。电压可以用电压表测量。测量的时候,把电压表并联在电路上,要选择电压表指针接近满偏转的量程。如果电路上的电压大小估计不出来,要先用大的量程,粗略测量后再用合适的量程。这样可以防止由于电压过大而损坏电压表。

十、电动势

电源内部推动电荷移动的作用力称为电源力,而电源力将单位正电荷从电源负极经电源内部移动到正极所做的功,叫做电源的电动势。电动势是反映电源把其他形式的能转换成电能的本领的物理量。电动势使电源两端产生电压。在电路中,电动势常用ε表示。电动势的单位和电压的单位相同,也是伏,但其方向与电压的方向相反,是由电源的负极指向正极的,即由低电位指向高电位。电源的电动势可以用电压表测量。

测量的时候,电源不要接到电路中去,用电压表测量电源两端的电压,所得的电压值就可以看作等于电源的电动势。如果电源接在电路中,用电压表测得的电源两端的电压就会小于电源的电动势。这是因为电源有内电阻。在闭合的电路中,电流通过内电阻r有内电压降,通过外电阻R有外电压降。电源的电动势δ等于内电压Ur和外电压UR之和,即ε=Ur+UR。严格来说,即使电源不接入电路,用电压表测量电源两端电压,电压表成了外电路,测得的电压也小于电动势。但是,由于电压表的内电阻很大,电源的内电阻很小,内电压可以忽略。因此,电压表测得的电源两端的电压是可以看作等于电源电动势的。

干电池用旧了,用电压表测量电池两端的电压,有时候依然比较高,但是接入电路后却不能使负载(收音机、录音机等)正常工作。这种情况是因为电池的内电阻变大了,甚至比负载的电阻还大,但是依然比电压表的内电阻小。用电压表测量电池两端电压的时候,电池内电阻分得的内电压还不大,所以电压表测得的电压依然比较高。但是电池接入电路后,电池内电阻分得的内电压增大,负载电阻分得的电压就减小,因此不能使负载正常工作。为了判断旧电池能不能用,应该在有负载的时候测量电池两端的电压。有些性能较差的稳压电源,有负载和没有负载两种情况下测得的电源两端的电压相差较大,也是因为电源的内电阻较大造成的。

十一、电路

电流所通过的路径称为电路。其最基本的电路由电源、负载和导线、开关等组件组成。电路的工作状态可分为三种:

(1)通路状态,即电路中构成闭合回路,电流能顺利地流过;

(2)开路状态,回路中某处被切断了,此时相应电路中没有电流通过;

(3)短路状态,电路中某一部分连接起来,使电源两端直接相通。此时电源负载为零,会出现很大的短路电流,极易烧毁电源。

十二、负载

通常把电能转换成其他形式能量的装置叫做负载。如电动机能把电能转换成机械能,电阻能把电能转换成热能,电灯泡能把电能转换成热能和光能,扬声器能把电能转换成声能。电动机、电阻、电灯泡、扬声器等都叫做负载。晶体三极管对于前面的信号源来说,也可以看做是负载。

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