格物致知、诚意正心
电力无处不在，为手机，计算机，灯，电烙铁和空调等技术提供动力。在我们的现代世界中很难摆脱它。即使您试图逃脱电，从雷雨中的闪电到我们体内的突触，电仍在整个自然界中发挥作用。但是电到底是什么呢？这是一个非常复杂的问题，当您深入研究并提出更多问题时，实际上并没有明确的答案，只是关于电如何与周围环境相互作用的抽象表示。
电是一种自然现象，发生在整个自然界中，并有多种形式。在本教程中，我们将重点介绍当前的电力：为电子设备供电的东西。我们的目标是了解电流如何从电源通过电线，点亮LED，旋转电机并为我们的通信设备供电。
电流被简单地定义为电荷的流动，但是这个简单的表述背后有很多东西。收费从何而来？我们如何移动它们？他们要去哪里？电荷如何引起机械运动或使物体发光？这么多的问题！要开始解释什么是电，我们需要扩大范围，超越物质和分子，超越构成我们生活中与之互动的原子。
本教程特别建立在对物理学，力，能量，原子和[fields]的一些基本理解的基础上。我们将介绍每个物理概念的基础知识，但它可能也有助于参考其他资源。
要了解电的基本原理，我们需要首先关注原子，这是生命和物质的基本组成部分之一。原子以氢，碳，氧和铜等化学元素的形式以一百多种形式存在。许多类型的原子可以结合形成分子，从而构成了我们可以物理看到和触摸的物质。
原子很小，最大可延伸到约300皮米（3×10 -10或0.0000000003米）。一分钱铜币（如果实际上是由100％的铜制成）内部将具有3.2×10 22原子（32,000,000,000,000,000,000,000原子）的铜。
即使是原子也不够小，无法解释电的工作原理。我们需要再深入一层，研究原子的构造块：质子，中子和电子。
原子由三个不同的粒子组合而成：电子，质子和中子。每个原子都有一个中心核，质子和中子在那里密集地堆积在一起。围绕原子核的是一组绕行电子。
一个非常简单的原子模型。它不是按比例缩放的，而是有助于理解原子的构建方式。质子和中子的核心核被环绕的电子包围。
每个原子中必须至少有一个质子。原子中质子的数量很重要，因为它定义了原子代表的化学元素。例如，仅具有一个质子的原子是氢，具有29个质子的原子是铜，而具有94个质子的原子是p。质子的这种计数称为原子的原子序数。
质子的中子，中子，起着重要的作用。它们将质子保留在原子核中，并确定原子的同位素。它们对于我们对电的理解并不重要，因此在本教程中我们不必担心它们。
电子对电的工作至关重要（在名称中要注意一个共同的主题吗？）在最稳定，平衡的状态下，原子将具有与质子相同的电子数量。像下面的玻尔原子模型一样，具有29个质子（使其成为铜原子）的原子核被相等数量的电子包围。
随着我们对原子的理解的发展，我们对原子建模的方法也随之发展。当我们探索电时，玻尔模型是一个非常有用的原子模型。
原子的电子并不会永远与原子结合。原子外轨道上的电子称为价电子。在足够的外力作用下，价电子可以逃离原子的轨道并变得自由。自由电子使我们能够移动电荷，这就是电的全部内容。说到收费…
正如我们在本教程开始时提到的那样，电定义为电荷的流动。电荷是物质的属性-就像质量，体积或密度一样。它是可测量的。正如您可以量化某物有多少质量一样，您也可以测量其有多少电荷。带电的关键概念是它可以分为两种：正号（+）或负号（-）。
为了移动电荷，我们需要电荷载流子，这就是我们对原子粒子（特别是电子和质子）的了解所需要的。电子总是带负电荷，而质子总是带正电荷。中子（真实名称）是中性的，它们不带电荷。电子和质子都携带相同量的电荷，只是电荷的类型不同。
带有标记电荷的锂原子（3个质子）模型。
电子和质子的电荷很重要，因为它为我们提供了在电子和质子上施加力的方法。静电力！
静电力（也称为库仑定律）是在电荷之间起作用的力。它指出，相同类型的电荷相互排斥，而相反类型的电荷被吸引在一起。对立面吸引而喜欢击退。
该量的作用于两个费力取决于它们彼此有多远。两次电荷越近，作用力（一起推或拉开）就越大。
由于静电力，电子将推开其他电子并被质子吸引。该力是将原子保持在一起的“胶水”的一部分，但这也是我们使电子（和电荷）流动所需的工具！
现在，我们拥有使费用流动的所有工具。原子中的电子可以充当我们的电荷载体，因为每个电子都带有负电荷。如果我们可以使电子从原子中释放出来并强迫其移动，那么我们可以产生电。
考虑一下铜原子的原子模型，铜原子是电荷流的首选元素来源之一。在平衡状态下，铜在其原子核中具有29个质子，并且在其周围绕行的电子数量相同。电子围绕原子原子核的距离变化。靠近原子核的电子对中心的吸引力比远处的电子强得多。原子的最外层电子称为价电子，它们需要最小的力才能脱离原子。
这是一个铜原子图：原子核中有29个质子，被环绕的电子带环绕。靠近原子核的电子很难去除，而化合价（外环）电子需要相对较少的能量从原子中射出。
在价电子上施加足够的静电力-用另一个负电荷推动它或用正电荷吸引它-我们可以将电子从原子周围的轨道弹出，从而生成自由电子。
现在考虑一条铜线：充满无数铜原子的物质。当我们的自由电子漂浮在原子之间的空间中时，它被周围空间中的电荷所吸引和推动。在这种混乱中，自由电子最终找到了一个新的原子来锁存。这样，该电子的负电荷会从原子中释放出另一个价电子。现在，一个新的电子正在自由空间中漂移，试图做同样的事情。这种连锁效应可以持续不断地产生称为电流的电子流。
流过原子以产生电流的电荷的非常简化的模型。
某些元素类型的原子在释放电子方面比其他元素更好。为了获得最佳的电子流，我们想使用与价电子不紧密结合的原子。元素的电导率可衡量电子与原子的结合程度。
具有高导电性的元素，具有非常易移动的电子，被称为导体。这些是我们要用来制造电线和其他有助于电子流动的组件的材料类型。铜，银和金等金属通常是我们选择优质导体的首选。
电导率低的元件称为绝缘体。绝缘子具有非常重要的作用：它们可以防止电子流动。流行的绝缘体包括玻璃，橡胶，塑料和空气。
在进一步介绍之前，让我们讨论一下电流可以采取的两种形式：静电或电流。在使用电子设备时，电流会更加普遍，但是静电也很重要。
当绝缘体隔开的物体上积累相反电荷时，就会存在静电。静电（如在“静止”状态下）一直存在，直到两组相反的电荷可以找到彼此之间的路径以平衡系统。
当电荷确实找到均衡手段时，就会发生静电放电。电荷的吸引力变得如此之大，以至于它们甚至可以流过最好的绝缘体（空气，玻璃，塑料，橡胶等）。静电放电可能是有害的，具体取决于电荷穿过的介质以及电荷转移到的表面。通过气隙平衡的电荷会导致可见的冲击，因为行进的电子与空气中的电子碰撞，后者被激发并以光的形式释放能量。
火花隙点火器用于产生受控的静电放电。相反的电荷会积聚在每个导体上，直到它们的吸引力如此之大，以至于电荷可以在空气中流动。
静电最引人注目的例子之一是闪电。当云系统相对于另一组云或地球地面收集到足够的电荷时，这些电荷将尝试均衡。随着云的放电，大量的正（或有时是负）电荷通过空气从地面流向云，从而导致我们大家都熟悉的可见效果。
当我们在头上摩擦气球以使头发直立时，或者当我们用模糊的拖鞋在地板上打乱并震动家猫时（当然是偶然地），静电也很常见。在每种情况下，摩擦不同类型的材料产生的摩擦都会转移电子。失去电子的物体变成带正电，而获得电子的物体变成带负电。这两个对象彼此吸引，直到他们找到一种均衡的方法为止。
使用电子产品，我们通常不必处理静电。当我们这样做时，我们通常试图保护我们的敏感电子组件免受静电释放。预防静电的措施包括戴上ESD（静电释放）腕带，或在电路中添加特殊组件以防止很高的电荷尖峰。
当前的电力是电力的形式，这使得我们所有的电子产品成为可能。当电荷能够不断流动时，就存在这种形式的电力。与电荷聚集并保持静止的静电相反，电流是动态的，电荷始终在移动。在本教程的其余部分中，我们将重点介绍这种形式的电力。
为了流动，当前的电流需要一个电路：一个闭合的，永无休止的导电材料回路。电路可以像端到端连接的导线一样简单，但是有用的电路通常包含导线和其他控制电流的组件的混合。制作电路的唯一规则是它们之间不能有任何绝缘间隙。
如果您有一根充满铜原子的导线，并且想通过它感应出电子流，那么所有自由电子都需要在某个地方以相同的大致方向流动。铜是很好的导体，非常适合使电荷流动。如果铜线的电路断开，电荷将无法在空气中流动，这也将阻止任何电荷流向中间。
另一方面，如果导线端对端连接，则电子都具有相邻的原子，并且都可以沿相同的大致方向流动。
现在，我们了解了电子如何流动，但首先如何使它们流动？然后，一旦电子流动，它们如何产生照亮灯泡或旋转电机所需的能量？为此，我们需要了解电场。
我们对电子如何流经物质以产生电的方法有所了解。电力就是一切。好吧，几乎所有。现在我们需要一个源来诱导电子流动。通常，电子流的来源将来自电场。
一个领域是我们使用哪个物理交互进行建模的工具不涉及任何可观察到的接触。由于没有物理外观，因此无法看到它们，但是它们具有的效果是非常真实的。
我们所有人都在潜意识中特别熟悉一个领域：地球的引力场，即巨大物体吸引其他物体的效果。可以用指向地球中心的一组矢量来模拟地球的引力场。无论您在表面上的什么位置，都会感受到将您推向表面的力量。
场的强度或强度在场中的所有点上都不统一。您离该字段的来源越远，该字段所产生的影响就越小。随着您离行星中心的距离越来越远，地球引力场的大小会减小。
当我们继续探索电场时，尤其要记住地球的引力场是如何工作的，这两个场具有许多相似之处。引力场对质量物体施加力，而电场对电荷物体施加力。
电场（电场）是了解电如何开始和继续流动的重要工具。电场描述电荷之间的空间中的拉力或推力。相对于地球的重力场，电场有一个重要区别：尽管地球磁场一般只能吸引大众的其他对象（因为一切都是那么显著小质量），电场仅有经常推费用，因为他们吸引他们。
电场的方向始终定义为如果正电荷在电场中掉落，则正电荷将移动的方向。测试电荷必须无限小，以防止其电荷影响磁场。
我们可以从构造单独的正电荷和负电荷的电场开始。如果将正测试电荷降到负电荷附近，则测试电荷将被吸引至负电荷。因此，对于单个负电荷，我们绘制了指向各个方向的电场箭头。相同的测试电荷下降到另一个正电荷附近会导致向外排斥，这意味着我们绘制出正电荷以外的箭头。
单电荷的电场。负电荷具有向内电场，因为它会吸引正电荷。正电荷具有向外的电场，像电荷一样被推开。
可以将电荷组合并以形成更完整的电场。
上方的均匀电场指向远离正电荷的地方，朝向负电荷。想象一下，在电场中有少量的正测试电荷。它应该遵循箭头的方向。正如我们所看到的，电力通常涉及电子的流动-负电荷-哪个流对电场。
电场为我们提供了感应电流所需的推力。电路中的电场就像电子泵：一个巨大的负电荷源，可以推动电子，电子将通过电路流向正电荷团。
当我们利用电力为电路，小物件和小工具供电时，我们实际上是在转变能源。电子电路必须能够存储能量并将其转换为其他形式，例如热，光或运动。电路中存储的能量称为势能。
要了解势能，我们需要大致了解能源。能量被定义为一个对象在另一个对象上工作的能力，这意味着将该对象移动一定距离。能量有很多种形式，有些是我们可以看到的（如机械的），而有些是我们看不到的（如化学或电的）。不论能量以何种形式存在，能量都以两种状态之一存在：动能或势能。
物体在运动时具有动能。物体具有的动能量取决于其质量和速度。势能，在另一方面，是一种存储的能量当物体处于静止。它描述了物体运动后可以做多少工作。这是我们通常可以控制的能量。当物体运动时，其势能就转化为动能。
让我们回到以重力为例。静止不动地坐在哈利法塔顶部的保龄球有很多潜在的（存储的）能量。落下后，被重力场拉动的球朝地面加速。随着球的加速，势能被转换成动能（来自运动的能量）。最终，所有球的能量都从势能转换为动能，然后传递给击中的任何东西。当球在地面上时，它的势能非常低。
就像重力场中的质量具有重力势能一样，电场中的电荷也具有势能。电荷的势能描述它具有多少存储的能量，当通过静电力使其运动时，该能量可以变为动能，并且电荷可以起作用。
就像坐在塔顶的保龄球一样，紧邻另一个正电荷的正电荷具有很高的势能。如果任其自由移动，则电荷会被从类似的电荷中击退。放置在负电荷附近的正测试电荷将具有较低的势能，类似于地面上的保龄球。
为了灌输任何具有势能的东西，我们必须通过将其移动一段距离来进行工作。就保龄球而言，工作来自将它抬起163层，克服了重力场。同样，必须进行工作以将正电荷推向电场的箭头（朝另一个正电荷或远离负电荷）。收费范围越广，您要做的工作就越多。同样，如果你试图去拉一个负电荷远从正电荷-对电场-你必须做的工作。
对于位于电场中的任何电荷，其势能取决于电荷的类型（正或负），电荷量及其在电场中的位置。势能以焦耳（J）为单位进行测量。
电位建立在电位能量的基础上，以帮助定义在电场中存储了多少能量。这是另一个概念，可以帮助我们对电场的行为进行建模。电位与电位能量不是一回事！
在电场的任何一点上，电势是电势能的量除以该点的电荷量。它将电荷量从方程式中剔除，使我们对电场的特定势能区域可以提供多少有一个想法。电势以每库仑（J / C）的焦耳为单位，我们将其定义为伏特（V）。
在任何电场中，我们都非常关注两个电位点。有一个高电势点，正电荷将具有尽可能高的势能，而有一个低电势点，电荷将具有尽可能低的势能。
我们在评估电时最常用的术语之一是电压。电压是电场中两点之间的电势差。电压使我们对电场具有多少推力有了一个想法。
凭借我们的潜能和势能，我们拥有了生产电流所必需的所有成分。我们开始做吧！
在研究了粒子物理学，场论和势能之后，我们现在足够了解电流。让我们做个电路！
首先，我们将回顾一下发电所需的成分：
电池是将化学能转化为电能的常见能源。它们有两个端子，它们连接到电路的其余部分。在一个终端上，有过多的负电荷，而在另一终端上，所有正电荷都聚结在一起。这只是等待动作的电位差！
如果我们将充满导电铜原子的导线连接到电池，该电场将影响铜原子中带负电荷的自由电子。在负极端子的推动下，在正极端子的推动下，铜中的电子会从一个原子移动到另一个原子，从而产生我们称为电的电荷流。
当前流动秒钟后，电子实际上移动非常小-一厘米的分数。但是，电流产生的能量巨大，特别是因为该电路中没有任何东西可以减慢电流流动或消耗能量。将纯导体直接跨过能源连接是一个坏主意。能量在系统中的移动非常迅速，并转化为金属丝中的热量，这可能很快变成金属丝熔化或着火。
除了浪费所有能量，更不用说破坏电池和电线，让我们建立一个有用的电路！通常，电路会将电能转换为其他形式的电能，包括光，热，运动等。如果我们将灯泡连接到电池，且两者之间有电线，则我们将获得一个简单的功能电路。
示意图：电池（左）连接到灯泡（右），当开关（顶部）闭合时，电路完成。在电路闭合的情况下，电子可以从电池的负极端子通过电灯泡流到正极端子。
当电子以蜗牛的速度运动时，电场几乎立即影响整个电路（我们在谈论光速）。整个电路中的电子，无论是处于最低电位，最高电位还是紧邻灯泡，都受到电场的影响。当开关闭合且电子受到电场作用时，电路中的所有电子似乎在同一时间开始流动。最接近灯泡的那些电荷将通过电路一步，并开始将能量从电转换为光（或热）。
https://learn.sparkfun.com/tutorials/what-is-electricity
您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注
评论 *
显示名称 *
邮箱 *
网站
在此浏览器中保存我的显示名称、邮箱地址和网站地址，以便下次评论时使用。
