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电学中的基本概念有哪些

时间:2018-01-06 中考备考 我要投稿

  电学是物理学的分支学科之一。主要研究“电”的形成及其应用。 下面是满分网小编给大家整理的电学的基本概念简介,希望能帮到大家!

  电学的基本概念

  电学

  研究的内容主要包括静电、静磁、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。电荷只有两种,称为正电和负电。同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。电荷遵从电荷守恒定律。电荷可以从一个物体转移到另一个物体,任何物理过程中电荷的代数和保持不变。所谓带电,不过是正负电荷的分离或转移;所谓电荷消失,不过是正负电荷的中和。

  静止电荷之间相互作用力符合库仑定律:在真空中两个静止点电荷之间作用力的大小与它们的电荷量的乘积成正比,与它们之间的距离的平方成反比;作用力的方向沿着它们之间的联线,同号电荷相斥,异号电荷相吸。

  电荷之间相互作用力是通过电荷产生的电场相互作用的。电荷产生的电场用电场强度(简称场强)来描述。空间某一点的电场强度用正的单位试探电荷在该点所受的电场力来定义,电场强度遵从场强叠加原理。

  通常的物质,按其导电性能的不同可分两种情况:导体和绝缘体。导体体内存在可运动的自由电荷;绝缘体又称为电介质,体内只有束缚电荷。

  在电场的作用下,导体内的自由电荷将产生移动。当导体的成分和温度均匀时,达到静电平衡的条件是导体内部的电场强度处处等于零。根据这一条件,可导出导体静电平衡的若干性质。

  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。

  电荷的定向流动形成电流。电流之间存在磁的相互作用,这种磁相互作用是通过磁场传递的,即电流在其周围的空间产生磁场,磁场对放置其中的电流施以作用力。电流产生的磁场用磁感应强度描述。

  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。感应电流的方向可由楞次定律确定。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。

  麦克斯韦方程组描述了电磁场普遍遵从的规律。它同物质的介质方程、洛仑兹力公式以及电荷守恒定律结合起来,原则上可以解决各种宏观电动力学问题。

  根据麦克斯韦方程组导出的一个重要结果是存在电磁波,变化的电磁场以电磁波的形式传播,电磁波在真空中的传播速度等于光速。这也说明光也是电磁波的一种,因此光的波动理论纳入了电磁理论的范畴。

  电路

  直流电路由导体(或导线)连结而成,导体有一定的电阻。稳恒条件下电流不随时间变化,电场亦不随时间变化。

  根据稳恒时电场的性质、导电基本规律和电动势概念,可导出直流电路的各个实用定律:欧姆定律、基尔霍夫电路定律,以及一些解决复杂电路的有效而简便的定理:等效电源定理、叠加定理、倒易定理、对偶定理等,这些实用定律和定理构成电路计算的理论基础。

  交流电路比直流电路复杂得多,电流随时间的变化引起空间电场和磁场的变化,因此存在电磁感应和位移电流,存在电磁波。

  热电效应

  物质中的电效应是电学与其他物理学科(甚至非物理的学科)之间联系的纽带。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(机械压力在电介质晶体上产生的电性和电极性)和逆压电效应、塞贝克效应、珀耳帖效应(两种不同金属或半导体接头处,当电流沿某个方向通过时放出热量,而电流反向时则吸收热量)、汤姆孙效应(一金属导体或半导体中维持温度梯度,当电流沿某方向通过时放出热量,而电流反向时则吸收热量)、热敏电阻(半导体材料中电阻随温度灵敏变化)、光敏电阻(半导体材料中电阻随光照灵敏变化)、光生伏打效应(半导体材料因光照产生电位差),等等。

  对于各种电效应的研究有助于了解物质的结构以及物质中发生的基本过程,此外在技术上,它们也是实现能量转换和非电量电测法的基础。

  电磁测量

  也是电学的组成部分。测量技术的发展与学科的理论发展有着密切的联系,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。利用电磁学原理已经设计制作出各种专用仪表(安培计,伏特计、欧姆计、磁场计等)和测量电路,它们可满足对各种电磁学量的测量。

  电磁测量的另一个重要的方面是非电量(长度、速度、形变、力、温度、光强、成分等)的电测量。它的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。由于电测量有一系列优点:准确度高、量程宽、惯量小、操作简便,并可远距离遥测和实现测量技术自动化,非电量的电测量正在不断发展。

  电学的综合发展

  电学作为经典物理学的一个分支,就其基本原理而言,已发展得相当完善,它可用来说明宏观领域内的各种电磁现象。

  20世纪,随着原子物理学、原子核物理学和粒子物理学的发展,人类的认识深入到微观领域,在带电粒子与电磁场的相互作用问题上,经典电磁理论遇到困难。虽然经典理论曾给出一些有用的结果,但是许多现象都是经典理论不能说明的。经典理论的局限性在于对带电粒子的描述忽略了其波动性方面,而对于电磁波的描述又忽略了其粒子性方面。

  按照量子物理的观点,无论是物质粒子或电磁场都既有粒子性,又具有波动性。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。

  电学的发展史

  琥珀和磁石

  1.公元前的琥珀和磁石

  古希腊七贤中有一位名叫泰勒斯的哲学家。公元前600年前后,泰勒斯看到当时的希腊人通过摩擦琥珀吸引羽毛,用磁钱矿石吸引铁片的现象,曾对其原因进行过一番思考。据说他的解释是:“万物皆有灵。磁吸铁,故磁有灵。”这里所说的“磁”就是磁铁矿石。希腊人把琥珀叫做“elektron”(与英文“电”同音)。

  在东方,据《吕氏春秋》一书记载,中国在战国时期已利用磁石制成指南针,他们在古代用指南针的磁针来辨别方向了。

  磁和静电

  1. 磁和静电

  通常所说的摩擦起电,在公元前人们只知道它是一种现象。很长时间里,关于这一种现象的认识并没有进展。

  而罗盘则在13世经就已经在航海中得到了应用。那时的罗盘是把加工成针形的磁铁矿石放在秸秆里,使之能浮在水面上。到了14世纪初,又制成了用绳子把磁针吊起来的航海罗盘。

  这种罗盘在1492年哥伦布发现美洲新大陆以及1519年麦哲伦发现环绕地球一周的航线时发挥了重要的作用。

  2.雷和静电

  在公元前的中国,打雷被认为是神的行为。说是有五位司雷电的神仙,其长者称为雷祖,雷祖之下是雷公和电母。打雷就是雷公在天上敲大鼓,闪电就是电母用两面镜子把光射向下界。

  到了亚里斯多德时代就已经比较科学了。认为雷的发生是由于大地上的水蒸气上升,形成雷云,雷雨云遇到冷空气凝缩而变成雷雨,同时伴随出现强光。

  认为雷是静电而产生的是英国人沃尔,那是1708年的事。1748年,富兰克林基于同样的认识设计了避雷针。

  电学的真正开始

  1600年,英国物理学家吉伯发现,不仅琥珀和煤玉摩擦后能吸引轻小物体,而且相当多的物质经摩擦后也都具有吸引轻小物体的性质,他注意到这些物质经摩擦后并不具备磁石那种指南北的性质。为了表明与磁性的不同,他采用琥珀的希腊字母拼音把这种性质称为“电的”。吉伯在实验过程中制作了第一只验电器,这是一根中心固定可转动的金属细棒,当与摩擦过的琥珀靠近时,金属细棒可转动指向琥珀。

  大约在1660年,德国马德堡的盖利克发明了第一台摩擦起电机。他用硫磺制成形如地球仪的可转动球体,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,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。

  18世纪电的研究迅速发展起来。1729年,英国的格雷在研究琥珀的电效应是否可传递给其他物体时发现导体和绝缘体的区别:金属可导电,丝绸不导电,并且他第一次使人体带电。格雷的实验引起法国迪费的注意。1733年迪费发现绝缘起来的金属也可摩擦起电,因此他得出所有物体都可摩擦起电的结论。他把玻璃上产生的电叫做“玻璃的”,琥珀上产生的电与树脂产生的相同,叫做“树脂的”。他得到:带相同电的物体互相排斥;带不同电的物体彼此吸引。

  1745年,荷兰莱顿的穆申布鲁克发明了能保存电的莱顿瓶。莱顿瓶的发明为电的进一步研究提供了条件,它对于电知识的传播起到了重要的作用。

  差不多同时,美国的富兰克林做了许多有意义的工作,使得人们对电的认识更加丰富。1747年他根据实验提出:在正常条件下电是以一定的量存在于所有物质中的一种元素;电跟流体一样,摩擦的作用可以使它从一物体转移到另一物体,但不能创造;任何孤立物体的电总量是不变的,这就是通常所说的电荷守恒定律。他把摩擦时物体获得的电的多余部分叫做带正电,物体失去电而不足的部分叫做带负电。

  严格地说,这种关于电的一元流体理论在今天看来并不正确,但他所使用的正电和负电的术语至今仍被采用,他还观察到导体的尖端更易于放电等。早在1749年,他就注意到雷闪与放电有许多相同之处,1752年他通过在雷雨天气将风筝放入云层,来进行雷击实验,证明了雷闪就是放电现象。在这个实验中最幸运的是富兰克林居然没有被电死,因为这是一个危险的实验,后来有人重复这种实验时遭电击身亡。富兰克林还建议用避雷针来防护建筑物免遭雷击,1745年首先由狄维斯实现,这大概是电的第一个实际应用。

  富兰克林联想到往莱顿瓶里蓄电的事,于1752年6月做了一个把风筝放到雷雨云里去的实验。其结果,发现了雷雨云有时带正电有时带负电的现象。这个风筝实验很有名,许多科学家都很感兴趣,也跟着做。1753年7月,俄罗斯科学家利赫曼在实验中不幸遭电击身亡。

  通过用各种金属进行实验,意大利帕维亚大学教授伏打证明了锌,铅,锡,铁,铜,银,金,石墨是个金属电压系列,当这个系列中的两种金属相互接触时,系列中排在前面的金属带正电,排在后面的金属带负电。他把铜和锌做为两个电极置于稀硫酸中,从而发明了伏打电池。电压的单位“伏特”就是以他的名字命名的。

  19世纪初,正是法国大革命后进入拿破仑时代。拿破仑从意大利归来,在1801年把伏打召到巴黎,让他做电实验,伏打也因此获得了拿破仑授予的金质奖章和莱吉诺-多诺尔勋章。

  伏打电池的利用与电磁学的发展

  伏打电池发明之后,各国利用这种电池进行了各种各样的实验和研究。德国进行了电解水的研究,英国化学家戴维把2000个伏打电池连在一起,进行了电弧放电实验。戴维的实验是在正负电极上安装木炭,通过调整电极间距离使之产生放电而发出强光,这就是电用于照明的开始。

  1820年,丹麦哥本哈根大学教授奥斯特在一篇论文中公布了他的一个发现:在与伏打电池连接了的导线旁边放一个磁针,磁针马上就发生偏转。

  俄罗斯的西林格读了这篇论文,他把线圈和磁针组合在一起,发明了电报机(1831年),这可说是电报的开始。

  其后,法国的安培发现了关于电流周围产生的磁场方向问题的安培定律(1820年),法拉第发现了划时代的电磁感应现象(1831年),电磁学得到了飞速发展。

  另一方面,关于电路的研究也在发展。欧姆发现了关于电阻的欧姆定律(1826年),基尔霍夫发现了关于电路网络的定律(1849年),从而确立了电工学。

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