電學中的基本概念有哪些

電學是物理學的分支學科之一。主要研究“電”的形成及其應用。 下面是本站小編給大家整理的電學的基本概念簡介，希望能幫到大家!

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。

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電荷量的乘積成正比，與它們之間的距離的平方成反比;作用力的方向沿着它們之間的聯線，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。當導體的成分和温度均勻時，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。這也説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

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。

熱電效應

物質中的電效應是電學與其他物理學科(甚至非物理的`學科)之間聯繫的紐帶。物質中的電效應種類繁多，有許多已成為或正逐漸發展為專門的研究領域。比如：

電致伸縮、壓電效應(機械壓力在電介質晶體上產生的電性和電極性)和逆壓電效應、塞貝克效應、珀耳帖效應(兩種不同金屬或半導體接頭處，當電流沿某個方向通過時放出熱量，而電流反向時則吸收熱量)、湯姆孫效應(一金屬導體或半導體中維持温度梯度，當電流沿某方向通過時放出熱量，而電流反向時則吸收熱量)、熱敏電阻(半導體材料中電阻隨温度靈敏變化)、光敏電阻(半導體材料中電阻隨光照靈敏變化)、光生伏打效應(半導體材料因光照產生電位差)，等等。

對於各種電效應的研究有助於瞭解物質的結構以及物質中發生的基本過程，此外在技術上，它們也是實現能量轉換和非電量電測法的基礎。

電磁測量

也是電學的組成部分。測量技術的發展與學科的理論發展有着密切的聯繫，理論的發展推動了測量技術的改進;測量技術的改善在新的基礎上驗證理論，並促成新理論的發現。

電磁測量包括所有電磁學量的測量，以及有關的其他量(交流電的頻率、相角等)的測量。利用電磁學原理已經設計製作出各種專用儀表(安培計，伏特計、歐姆計、磁場計等)和測量電路，它們可滿足對各種電磁學量的測量。

電磁測量的另一個重要的方面是非電量(長度、速度、形變、力、温度、光強、成分等)的電測量。它的主要原理是利用電磁量與非電量相互聯繫的某種效應，將非電量的測量轉換為電磁量的測量。由於電測量有一系列優點：準確度高、量程寬、慣量小、操作簡便，並可遠距離遙測和實現測量技術自動化，非電量的電測量正在不斷髮展。

電學作為經典物理學的一個分支，就其基本原理而言，已發展得相當完善，它可用來説明宏觀領域內的各種電磁現象。

20世紀，隨着原子物理學、原子核物理學和粒子物理學的發展，人類的認識深入到微觀領域，在帶電粒子與電磁場的相互作用問題上，經典電磁理論遇到困難。雖然經典理論曾給出一些有用的結果，但是許多現象都是經典理論不能説明的。經典理論的侷限性在於對帶電粒子的描述忽略了其波動性方面，而對於電磁波的描述又忽略了其粒子性方面。

按照量子物理的觀點，無論是物質粒子或電磁場都既有粒子性，又具有波動性。在微觀物理研究的推動下，經典電磁理論發展為量子電磁理論。

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。據説他的解釋是：“萬物皆有靈。磁吸鐵，故磁有靈。”這裏所説的“磁”就是磁鐵礦石。希臘人把琥珀叫做“elektron”(與英文“電”同音)。

在東方，據《呂氏春秋》一書記載，中國在戰國時期已利用磁石製成指南針，他們在古代用指南針的磁針來辨別方向了。

磁和靜電

1. 磁和靜電

通常所説的摩擦起電，在公元前人們只知道它是一種現象。很長時間裏，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裏，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週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。説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。

電學的真正開始

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。

大約在1660年，德國馬德堡的蓋利克發明了第一台摩擦起電機。他用硫磺製成形如地球儀的可轉動球體，用乾燥的手掌摩擦轉動球體，使之獲得電。蓋利克的摩擦起電機經過不斷改進，在靜電實驗研究中起着重要的作用，直到19世紀霍耳茨和推普勒分別發明感應起電機後才被取代。

18世紀電的研究迅速發展起來。1729年，英國的格雷在研究琥珀的電效應是否可傳遞給其他物體時發現導體和絕緣體的區別：金屬可導電，絲綢不導電，並且他第一次使人體帶電。格雷的實驗引起法國迪費的注意。1733年迪費發現絕緣起來的金屬也可摩擦起電，因此他得出所有物體都可摩擦起電的結論。他把玻璃上產生的電叫做“玻璃的”，琥珀上產生的電與樹脂產生的相同，叫做“樹脂的”。他得到：帶相同電的物體互相排斥;帶不同電的物體彼此吸引。

1745年，荷蘭萊頓的穆申布魯克發明了能保存電的萊頓瓶。萊頓瓶的發明為電的進一步研究提供了條件，它對於電知識的傳播起到了重要的作用。

差不多同時，美國的富蘭克林做了許多有意義的工作，使得人們對電的認識更加豐富。1747年他根據實驗提出：在正常條件下電是以一定的量存在於所有物質中的一種元素;電跟流體一樣，摩擦的作用可以使它從一物體轉移到另一物體，但不能創造;任何孤立物體的電總量是不變的，這就是通常所説的電荷守恆定律。他把摩擦時物體獲得的電的多餘部分叫做帶正電，物體失去電而不足的部分叫做帶負電。

嚴格地説，這種關於電的一元流體理論在今天看來並不正確，但他所使用的正電和負電的術語至今仍被採用，他還觀察到導體的尖端更易於放電等。早在1749年，他就注意到雷閃與放電有許多相同之處，1752年他通過在雷雨天氣將風箏放入雲層，來進行雷擊實驗，證明了雷閃就是放電現象。在這個實驗中最幸運的是富蘭克林居然沒有被電死，因為這是一個危險的實驗，後來有人重複這種實驗時遭電擊身亡。富蘭克林還建議用避雷針來防護建築物免遭雷擊，1745年首先由狄維斯實現，這大概是電的第一個實際應用。

富蘭克林聯想到往萊頓瓶裏蓄電的事，於1752年6月做了一個把風箏放到雷雨雲裏去的實驗。其結果，發現了雷雨雲有時帶正電有時帶負電的現象。這個風箏實驗很有名，許多科學家都很感興趣，也跟着做。1753年7月，俄羅斯科學家利赫曼在實驗中不幸遭電擊身亡。

通過用各種金屬進行實驗，意大利帕維亞大學教授伏打證明了鋅，鉛，錫，鐵，銅，銀，金，石墨是個金屬電壓系列，當這個系列中的兩種金屬相互接觸時，系列中排在前面的金屬帶正電，排在後面的金屬帶負電。他把銅和鋅做為兩個電極置於稀硫酸中，從而發明了伏打電池。電壓的單位“伏特”就是以他的名字命名的。

19世紀初，正是法國大革命後進入拿破崙時代。拿破崙從意大利歸來，在1801年把伏打召到巴黎，讓他做電實驗，伏打也因此獲得了拿破崙授予的金質獎章和萊吉諾-多諾爾勛章。

伏打電池的利用與電磁學的發展

伏打電池發明之後，各國利用這種電池進行了各種各樣的實驗和研究。德國進行了電解水的研究，英國化學家戴維把2000個伏打電池連在一起，進行了電弧放電實驗。戴維的實驗是在正負電極上安裝木炭，通過調整電極間距離使之產生放電而發出強光，這就是電用於照明的開始。

1820年，丹麥哥本哈根大學教授奧斯特在一篇論文中公佈了他的一個發現：在與伏打電池連接了的導線旁邊放一個磁針，磁針馬上就發生偏轉。

俄羅斯的西林格讀了這篇論文，他把線圈和磁針組合在一起，發明了電報機(1831年)，這可説是電報的開始。

其後，法國的安培發現了關於電流周圍產生的磁場方向問題的安培定律(1820年)，法拉第發現了劃時代的電磁感應現象(1831年)，電磁學得到了飛速發展。