102节，电学基础知识（2）

此文是《全国青少年机器人等级考试》三级课程的第二篇，后续我将陆续推出后面的课程。同步推出视频教程，个人能力有限，欢迎条友提出宝贵意见，先谢谢了。

1. 电的微观解释

古希腊学者留基伯和德漠克利特等提出：物质是由许多微小的、不可分割的单个颗粒所组成的，这种颗粒称'原子'， '原子'在希腊文中是'不可分'的意思。

一直到17世纪~18世纪科学家才通过实验，证实了原子的存在。19世纪初英国化学家J.道尔顿在进一步总结前人经验的基础上，提出了具有近代意义的原子学说。这种原子学说的提出开创了化学的新时代，也解释了很多物理、化学现象。

原子模型

电现象也可以用原子学说解释，世界上所有的物质都是由原子组成，原子则是由原子核和电子组成，其中原子核是由带正电荷的质子和不带电荷的中子构成，电子则是带负电荷的，因为原子中质子所带的正电荷和电子所带的负电荷相互抵消，达到平衡，所以原子呈电中性的（电荷为零或者说不带电）。

摩擦起电

在摩擦生电的过程中，毛皮中的电子转移到橡胶棒上，获得电子的橡胶棒，负电荷大于正电荷，表现为带负电；毛皮因为失去电子，正电荷大于负电荷，表现为带正电。电子转移的越多，橡胶棒所带的负电荷越多。

2. 运动的电

就像几滴水无法让磨坊的水车转动一样，通过摩擦获得的电荷太少了，无法让电器设备工作，要让电荷流动起来，需要能稳定产生大量电子流的设备，如电池，发电机。

1800年意大利教授伏打发明了世界上第一个发电器：伏打电池（伏打电堆），它是一种电池组，由多层银和锌叠合而成，其间隔有浸渍水的物质，这是最早的化学电源，为电学研究提供了稳定的、容量较大的电源，成为电磁学发展的基础，开创了电学发展的新时代。电学从对静电的研究进入到对动电的研究。

伏打电池实物和原理图

后来为了纪念他，用他的名字【伏特】命名电压单位，简称'伏'，英文缩写为V。

3. 电学基础概念

1800年3月20日，伏打正式对外宣布：'电荷就像水，在电线中流动，会由电压高的地方向电压低的地方流动，就产生电流。'

电路和水路

水流过的路，我们叫做水路；电流过的路，我们叫电路。

水流从高水位流向低水位，形成水流，电流也是从高电位流向低电位，形成电流。

水流在流动中会受到水管的阻力，电流在导线中流动也会遇到阻力，我们称之为电阻

水流要想保持流动，从A到B的整个水路必须通畅；电路也一样，要想电流能够持续，整个电路必须闭合。

AB两个容器因为存在水位差，高水位的水相对于低水位的水存在势能，产生水压。

电源的两极也存在位差，高电位的电相对于低电位的电存在势能，产生电压。

电压符号为U，单位为'伏特(V)'，简称'伏'.

4. 电流的方向和强度

我们知道物质中的电流，实际上是电子在流动，电子是从电源的负极，流向电源的正极，但是为了研究方便，电学上规定：电流正电荷定向流动的方向为电流方向，即电流从电源正极流向电源负极。

为了表示电流的大小、强弱，电学中规定：单位时间里通过导体任一横截面的电量叫做电流强度，简称电流，电流符号为 I，单位是安培（A），简称'安'

5. '电流'的速度

当我们打开开关，电灯立刻就亮了，那么电到底能跑多块呢？解释这个问题有点复杂，我们先说铺垫一下。

虽然我们把电流比喻成水流，但是电子和水分子却不完全一样，在我们肉眼能见的物体称之为'宏观物体'。一块铁板在宏观上来说是密不透风的，但是从微观来看：铁原子之间有非常大的空隙，像电子这样的微小粒子非常容易穿过去，所以微观来看铁板就像一个筛子。

因此我们也不能用宏观的水流来看微观的电流，电子有时会表现为粒子性质，有时会表现为电磁波的性质，这种双重性质，我们称之为微观粒子的'波粒二象性'

电子显微镜下的锂金属

电子的运动速度并不快，但是电流传导的速度并不等于电子（粒子）移动的速度，而是由其电磁波性质决定，光就是一种电磁波，因此电流传导的速度是等于光速的。

如果从粒子特性来解释，就像有一个装满玻璃球的管子里，你从一头塞进去一个玻璃球，从另一头肯定能立刻跑出来一个玻璃球，但是这个玻璃球，并不是你塞进去的哪一个。

我们打开开关，电灯立刻就亮了，并不是发电机产生的电子已经跑到了电灯里了，而是把电的能量传导到电灯上了。