正文 260 物理學之電學 1 文 / 月之輪迴

    電學(英:),涵蓋一切以電為研究基礎的學科。19世紀末隨著電報、電力系統的應用逐漸奠定了此工程的學科基礎，並廣泛地應用在各個領域。在技職教育上，以基本電學作為起始基礎教育學科，電機工程包括許多「次領域」如：電路學、電子學、電力學、電磁學等等，並且與其他物理科學領域有相互關係

    電學「電」這一詞在西方是從希臘poν(琥珀)一詞轉意得來，在中國則是從雷閃現象中引出來的。電學

    研究的內容主要包括靜電、靜磁、電磁場、電路、電磁效應和電磁測量。

    電學介紹

    靜電學

    是研究靜止電荷產生電場及電場對電荷作用規律的學科。電荷只有兩種，稱為正電和負電。同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。電荷遵從電荷守恆定律。電荷可以從一個物體轉移到另一個物體，任何物理過程中電荷的代數和保持不變。所謂帶電，不過是正負電荷的分離或轉移；所謂電荷消失，不過是正負電荷的中和。

    靜止電荷之間相互作用力符合庫侖定律：在真空中兩個靜止點電荷之間作用力的大小與它們的乘積成正比，與它們之間的距離的平方成反比；作用力的方向沿著它們之間的聯線，同號電荷相斥，異號電荷相吸。

    電荷之間相互作用力是通過電荷產生的電場相互作用的。電荷產生的電場用電場強度(簡稱場強)來描述。空間某一點的電場強度用正的單位試探電荷在該點所受的電場力來定義，電場強度遵從場強疊加原理。

    通常的物質，按其導電性能的不同可分兩種情況：導體和絕緣體。導體體內存在可運動的自由電荷；絕緣體又稱為電介質，體內只有束縛電荷。

    在電場的作用下。導體內的自由電荷將產生移動。當導體的成分和溫度均勻時，達到靜電平衡的條件是導體內部的電場強度處處等於零。根據這一條件，可導出導體靜電平衡的若干性質。

    靜磁學

    是研究電流穩恆時產生磁場以及磁場對電流作用力的學科。

    電荷的定向流動形成電流。電流之間存在磁的相互作用。這種磁相互作用是通過磁場傳遞的，即電流在其周圍的空間產生磁場。磁場對放置其中的電流施以作用力。電流產生的磁場用磁感應強度描述。

    電磁場

    是研究隨時間變化下的電磁現象和規律的學科。

    當穿過閉導體線圈的磁通量發生變化時，線圈上產生感應電流。感應電流的方向可由楞次定律確定。閉合線圈中的感應電流是感應電動勢推動的結果，感應電動勢遵從法拉第定律：閉合線圈上的感應電動勢的大小總是與穿過線圈的磁通量的時間變化率成正比。

    麥克斯韋方程組描述了電磁場普遍遵從的規律。它同物質的介質方程、洛侖茲力公式以及電荷守恆定律結合起來，原則上可以解決各種宏觀電動力學問題。

    根據麥克斯韋方程組導出的一個重要結果是存在電磁波，變化的電磁場以電磁波的形式傳播，電磁波在真空中的傳播速度等於光速。這也說明光也是電磁波的一種，因此光的波動理論納入了電磁理論的範疇。

    電路

    包括直流電路和交流電路的研究，是電學的組成部分。直流電路研究電流穩恆條件下的電路定律和性質；交流電路研究電流週期性變化條件下的電路定律和性質。

    直流電路由導體(或導線)連結而成。導體有一定的電阻。穩恆條件下電流不隨時間變化，電場亦不隨時間變化。

    根據穩恆時電場的性質、導電基本規律和電動勢概念，可導出直流電路的各個實用定律：歐姆定律、基爾霍夫電路定律，以及一些解決複雜電路的有效而簡便的定理：等效電源定理、疊加定理、倒易定理、對偶定理等，這些實用定律和定理構成電路計算的理論基礎。

    交流電路比直流電路複雜得多，電流隨時間的變化引起空間電場和磁場的變化，因此存在電磁感應和位移電流，存在電磁波。

    發展歷史

    琥珀和磁石

    1.公元前的琥珀和磁石

    古希臘七賢中有一位名叫泰勒斯的哲學家。公元前600年前後，泰勒斯看到當時的希臘人通過摩擦琥珀吸引羽毛，用磁錢礦石吸引鐵片的現象。曾對其原因進行過一番思考。據說他的解釋是：「萬物皆有靈。磁吸鐵，故磁有靈。」這裡所說的「磁」就是磁鐵礦石。希臘人把琥珀叫做「」（與英「電」同音）。

    在東方，中國人民早在公元前2500年前後就已經具有天然的磁石知識。據《呂氏春秋》一書記載。中國在公元前1000年前後就已經有的指南針，他們在古代就已經用磁針來辨別方向了。

    磁，靜電

    2.磁，靜電

    通常所說的摩擦起電，在公元前人們只知道它是一種現象。很長時間裡，關於這一種現象的認識並沒有進展。

    而羅盤則在13世經就已經在航海中得到了應用。那時的羅盤是把加工成針形的磁鐵礦石放在秸稈裡，使之能浮在水面上。到了14世紀初，又製成了用繩子把磁針吊起來的航海羅盤。

    這種羅盤在1492年哥倫布發現美洲新大陸以及1519年麥哲倫發現環繞地球一周的航線時發揮了重要的作用。

    2.雷和靜電

    在公元前的中國，打雷被認為是神的行為。說是有五位司雷電的神仙。其長者稱為雷祖，雷祖之下是雷公和電母。打雷就是

    是雷公在天上敲大鼓。閃電就是電母用兩面鏡子把光射向下界。

    到了亞里斯多德時代就已經比較科學了。認為雷的發生是由於大地上的水蒸氣上升，形成雷雨雲。雷雨雲遇到冷空氣凝縮而變成雷雨，同時伴隨出現強光。

    認為雷是靜電而產生的是英國人沃爾，那是1708年的事。1748年，富蘭克林基於同樣的認識設計了避雷針。

    1600年，英國物理學家吉伯發現，不僅琥珀和煤玉摩擦後能吸引輕小物體，而且相當多的物質經摩擦後也都具有吸引輕小物體的性質，他注意到這些物質經摩擦後並不具備磁石那種指南北的性質。為了表明與磁性的不同，他採用琥珀的希臘字母拼音把這種性質稱為「電的」。吉伯在實驗過程中製作了第一隻驗電器，這是一根中心固定可轉動的金屬細棒，當與摩擦過的琥珀靠近時，金屬細棒可轉動指向琥珀。(未完待續)