电是如何工作的?

当我还是个孩子的时候,我最喜欢的电影之一是《霹雳舞2》。

这部电影和电没有什么关系,和布加洛舞也没什么关系。尽管它对我糟糕的舞技没有什么帮助,但它的确让我偶尔想到,如果为青少年开设一个社区中心该有多酷。

你也许好奇这与科学有什么关系。这是关于舞蹈的科学吗?不,这只是一个非常微不足道的尝试——用幽默来介绍本周的主题:电。

电是如何工作的?

什么是电

人们常说的电,科学家称之为电流。如果你听到“电流”这个词时首先想到的是湍急的河流或推动船只前进的海底水流,那么就接近我们的主题了。电流就是带电粒子流。

有几种不同类型的带电粒子载体,但当我们谈论电的时候,通常指的是电子。如果你还记得我讲原子的那一集,你就会知道电子是漂浮在原子核周围的带负电荷的小粒子。参见:什么是静电?

电是如何工作的?

Electricity

图源:Quick and Dirty Tips

或许你通过《天才小子吉米》了解了一些,但电子并不像小型太阳系里的行星那样绕原子核公转。相反,大部分时间里电子会在原子核周围被称为原子轨道的特定区域。这些轨道有不同的形状,取决于一个原子有多少个电子,还有其他一些因素。

电是如何工作的?

这些原子轨道在原子核周围层层排列。对于电来说,我们真正关心的电子是在最外层的电子,它们有时被称为价电子。

当电流流动时,事实是这些价电子从一个原子移动到另一个原子。


电是如何工作的?

原子结构示意图

屏蔽

想象一下,有一段直径为一个原子的金属丝。当你把一个电子推入电线的一端(比如从电池里),它就会尝试跳入它遇到的第一个原子的价壳层。当这个新的电子进入时,它会把一个价电子推出原子,这个价电子会进入下一个原子。这个过程沿着金属丝一直持续下去。

你也许知道导体导电,绝缘体不导电。而你可能不知道的是,导致导体与绝缘体这种不同性质的原因是价电子的运动。

电是如何工作的?

在大多数绝缘体中,原子核对价电子有很强相互作用力,使价电子难以被推离位置。因为电子不运动,不会存在电流。

有一些不同的因素决定一个物体是绝缘体还是导体。像铜和银这样的原子的价电子可以自由地从一个原子流向另一个原子的原因之一是,它们的内壳层有很多电子,以至于价电子被屏蔽了,不受原子核的引力作用。这使得价电子可以在新的电子把它们推开的时候随意地从一个原子跳到另一个原子。

电是如何工作的?

要有光

在电线里运动的电子是伟大的,但是如果我们想利用电做一些有用的事情,比如开灯,会怎么样呢?电子再一次成为关键。

就白炽灯泡而言,当电子进入灯丝时,会刺激灯丝中的原子使其振动。这种振动导致一些电子转移到一个更高的能级,但这种变化只是暂时的。短时间后,电子会回落到先前的水平,以光子或光粒子的形式释放出额外的能量。

相关知识

电是静止或移动的电荷 (带电粒子)所产生的物理现象,是自然界四种基本相互作用之一。在大自然里,电的机制给出了很多众所熟知的效应,例如闪电、摩擦起电、静电感应等电现象。很久以前,就有许多术士就对此进行过研究,但结果乏善可陈。

电是如何工作的?

自然界的闪电是电的一种现象。

从18世纪开始,电学取得了重要的发展和突破,如:电荷守恒定律(1752)、库仑定律(1785)、伏打电池(1800)、安培定律(1826)、欧姆定律(1827)、电磁感应(1831)、基尔霍夫电路定律(1845)、戴维南定理(1883)、无线电波(1888)、电子的发现(1897)等。19世纪末以来,电机工程学的快速发展带给了工业和社会巨大的改变,真空三极管的发明推动电子时代急速向前推进。二十世纪中叶,半导体科技的崛起,出现了晶体管和集成电路。

作者:Lee Falin

FY:没有眉毛的寇拾叁

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