 悟世界之道，析万物之理，我是中科院物理所的副研究员杨海涛。本次课程我们主要简单回顾一下人类对电的认识和研究，也希望有更多的同学们，能从事到探索电的奥秘当中去。 人类早期对电的认识 01 首先我们讲一下人类早期对电的认识。中国从公元前1500年的殷商时期，就用甲骨文，西周用金文这些象形字体，来形象地记录雷和电这两个字。以后的各个朝代都对雷电以及摩擦起电的现象，有比较详细的记录。比如说北宋时期的沈括，就在《梦溪笔谈》里边记录了雷电击中刀鞘的事件。他发现钢制的刀熔化了，但是刀鞘却完好无损。在中国古代对雷电现象的研究，主要是观察。  西周青铜器上代指闪电的“电”字 在西方早在公元前 600 多年，古希腊的哲学家、物理学家泰勒斯，就用琥珀来做摩擦起电的实验。泰勒斯一生醉心于哲学和物理学的研究，终生未婚。据记载他是对付父母逼婚的高手。随后英国的吉尔伯特，德国的居里克，英国的格雷以及法国的杜菲，先后对电的现象，进行了比较深入细致的观察。他们制作了验电器、转动摩擦发电机，以及发现存在两种电荷，同性相斥，异性相吸。直到 1752 年，弗兰克林用风筝引雷电，对闪电进行了详细的研究。在西方16、17 世纪，由于受哲学家培根的思想的影响，物理学家更多是用实验，去探索电的本源。 在 1752 年，富兰克林做了风筝引电的实验，随后他把实验的结果发表了文章，但是遭到了教会，以及一些科学家的质疑。但富兰克林一直坚信，自己的研究是正确的，所以在对物理学的研究中需要恒心。在对雷电的研究中，由于雷电它的冲击电流可达到 3 万安培，感应电压可达到1~10 亿伏特，具有非常大的危险性。俄国的科学家里奇曼（G. W. Richman，彼得堡科学院院士，1711-1753）在 1753 年在做岗亭实验的时候，就因为中电身亡。所以我们同学们在做电的实验中，要非常注意安全。  岗亭实验 同时在 16~17 世纪，西欧的上流社会，尤其是皇室，对电的现象也非常感兴趣，经常邀请一些科学家去皇宫做表演。因此物理学家们，也得到了非常好的机遇，能够得到经费的支持，以及一些较高的社会待遇，来进行科学研究。  英国女王伊丽萨白一世(1533-1603)观看吉尔伯特的静电吸引羽毛实验 电的本源 02 随着对电学现象研究的日益深入，我们现在对电已经有了比较清晰的认识。我们知道物质都是由原子组成的，而原子是由带正电的原子核，和带负电的核外电子组成的。最早，科学家道尔顿提出了原子的实心球的模型，随后汤姆森又提出了葡萄干和蛋糕的模型，卢瑟福提出了行星模型，科学家玻尔又提出了玻尔模型。到现在我们认识到，电子是具有波粒二象性的，它在原子核的周围，是有一定的出现的几率，我们称之为电子云。薛定谔和玻恩又提出了电子云模型，用波函数来描述电子云出现的几率，我们称之为原子轨道。  电子轨道 对于电荷，我们发现它遵守电荷守恒定律，电荷既不能被创造，也不能被消灭，它们只能从一个物体，转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分，在任何的物理过程中，电荷的代数和都是守恒的。在宏观世界里，我们用玻璃棒摩擦丝绸，我们能发现二者会带上相反的电荷，这就是一个电荷转移的过程。其实在微观世界，我们正电子和负电子撞击以后，也会湮灭，产生不带电荷的高能的光子，这也遵守电荷守恒定律。 电的定量研究 03 在对电的本质有了比较深入的认识以后，科学家又希望能够定量地对电进行研究。英国的科学家吉尔伯特发明了验电器，法国的诺雷也发明了更为精密的验电器，德国的科学家布劳恩随后又发明了静电计，可以精确地测量带电物体的电量。   验电器：吉尔伯特（左）；诺雷（右）  静电计 法国的物理学家库仑，从 1785 年到 1789 年，历经 4 年的时间，希望用仪器来精确地测定电量。他发明了库仑扭秤。利用这个装置，他提出了库伦定律——在真空中两个静止的点电荷 q1 和 q2 之间相互作用力的大小，和物体带电量的乘积成正比，和距离的平方成反比。同时他提出了同号电荷相斥，异号电荷相吸。  库仑扭秤 美国的科学家密立根，在库仑定律的基础上，发明了油滴法测定电子的电量，他也因此获得了 1923 年诺贝尔物理学奖。现在我们知道任何物质的带电量，都是基本电荷的整数倍。其中基本电荷就是一个质子，或者一个电子所带的电量。电量单位库仑，就是 1 库仑，它包含 6.24×1018 个基本电荷。当然我们可以反过来定义，一个基本电荷的电量是 1.6 × 10-19 库仑。  油滴法测定电子电量 电的产生 04 在人类对电量能够进行精确地测定以后，发现摩擦起电所带电量太小了，对人类的帮助不大。科学家就想，如何利用机械去产生更大的电能或者电量。在 18 世纪初，英国的豪克斯比发明了第一台大功率的摩擦起电机。不过它所产生的电是静电。在 1800 年，意大利的伏特发明了伏特电池，它产生的是直流电。在 1821 年，英国的科学家法拉第就制备出了世界上第一台的电动机。随后他利用电磁感应原理，制作了圆盘发电机。法拉第除了在物理学方面，有很高的造诣之外，他也非常乐于做科普——据说他给小学生上过多次化学科普课。因为法拉第的老师戴维就是个化学家，所以他对法拉第去搞电学研究，认为他是不务正业。另外，法拉第也非常乐于交流。他组织了英国皇家学院的星期五科研论坛，每次他去做报告的时候，简直都是座无虚席。  第一台大功率摩擦起电机（静电） 在 1832 年法国的皮克西发明了，第一台的手摇式的交流发电机，那时候的发电机还比较笨重。在 1866 年，德国的西门子发明了自激励式直流发电机。交流和直流发电机都产生了。 第一台手摇式的交流发电机（左） 自激励式直流发电机（右） 在发电机的发明上，我们需要提到一个科学家，他叫尼古拉·特斯拉。尼古拉·特斯拉非常醉心于电的研究。在他的实验室里，他经常做各种各样的放电实验。做到高兴的时候，他会手持发电的电球给别人展示。在 1882 年他发明了世界上第一台两相交流电发电机。 世界第一台两相交流电发电 除此之外，他在电学的其它领域，也取得了很多成就。比如说在 1885 年，它发明了多相传电技术。1898 年他发明了无线电的遥控技术。特斯拉其实是美国的科学家爱迪生创办的直流电的公司里面工作。爱迪生对于直流电非常推崇，他认为交流电是旁门左道。所以说爱迪生的直流电，和特斯拉的交流电，两个人之间争斗的故事，如果拍成电视剧的话，绝对是一部剧情跌宕起伏的宫斗剧。除了利用电磁感应发电之外，我们现在人类社会还可以用光电效应、热电效应、压电效应来发电。 电的传输 05 现在我们对电的本源有了清晰的认识。在利用发电机去产生电之后，我们需要把电传输到我们需要利用的地方。现在根据对电荷传导的难易，我们把物质可以分为导体、绝缘体和半导体。德国科学家欧姆，从1820 年就开始研究电的传输，分别在 1825 年和 1826 年，发表了两篇论文，提出了他对电的传输的认识。直到 1827 年，他才在第三篇论文里面，正确地给出了欧姆定律的形式。 乔治·西蒙·欧姆 我们现在知道欧姆定律，是电流等于电压除以电阻，欧姆定律指的就是在稳恒的条件下，特别是温度稳定的条件下，通过一段导体的电流强度，和导体两端的电压是成正比的。欧姆定律适用于金属导体和电解液，但是它不适用于气体的导体和晶体管、电子管等半导体的器件。 与电子传输相关的，我们还有电流强度、电流密度、电阻率、电导率等这些概念。电流强度是一个标量，而电流密度是一个矢量。电流密度是在研究大块的导体中电流的电流分布时使用的。而电阻是导体的内秉性质，和导体的长度和截面积都有关联。根据电阻率，我们可以将物质分为导体，绝缘体和半导体三类：电阻率在 10-8-10-6 Ω·m 的范围内，我们称之为导体；在108-1018 Ω·m 范围内，我们称之为绝缘体；而在10-5-106 Ω·m 范围内，我们称之为半导体。 在金属导体中，在没有外加电场的时候，电子是在做无序的热运动，加电场以后，电子会定向地移动。但是在金属中电子的漂移速度，只有10-4m/s，远小于电子平均的热运动速率105 m/s。那么为什么在我们接通开关的一瞬间，我们的电灯、电器负载就开始工作了？实际上在金属导体中传输的是电场，这个速度可以达到 3×108 m/s，也就是光速。 在金属导体中银、铜、铝三种材料的电阻率最小，达到 10-8 Ω·m。但是即使这么低的电阻率，在电的传输中也会造成非常大的损耗。为了减小电在输运过程中的损耗，科学家一直在努力寻找，电阻率更低的材料，在对汞、铌、铅等金属材料的低温实验中，发现降到一定温度的时候，比如说 4.2 K，发现它的电阻突然降为 0，于是科学家命名这种材料就为超导体。经过多年的努力，现在超导体的工作温度可以位于液氮温区，科学家们还在继续寻找，能在室温甚至高温区间工作的超导体。如果这个梦想真的得以实现的话，那么人类对电的利用，将会有一个更大的飞跃。 超导材料在降到一定温度的时候，电阻突然降为 0 在能找到可以工作于室温和高温的超导体之前，科学家们也在利用其它的技术进行电的输运，其中一项技术就是特高压输电。我们知道电在输运的过程中会产生热量，这个损耗是和电流的平方成正比的，也就是焦耳定律，而每个电站输电的功率是一定的，就等于电压和电流的乘积。如果能够极大地提高电压，那么就可以大大减小电能在输运过程中的损耗。我国目前已经可以建造 1100 千伏的特高压输电线路。8 条特高压输电线路每年可以减少 3.2 亿吨二氧化碳的排放。我国的特高压输电技术、高铁技术、核电技术，在世界上都是居于领先地位的。 1100千伏特高压输电 为了更加便捷地输运电能，科学家们也在开发无线输电的技术，比如有磁场感应的无线输电技术，磁场共振的无线充电技术，还有微波无线充电技术，还有将来要发展的全球无线输电技术。科学家们都希望用无线输电技术，能够将电输送得更远，输送的电量的功率更大。这当然需要科学家们进一步的努力。有些无线输电技术，在生活中已经实现了，比如说给手机的无线充电。 磁场感应的无线输电技术（左） 磁场共振的无线充电技术（右） 微波无线充电技术（左） 全球无线输电技术（右） 而半导体对现在人类生活的影响，更是巨大的。半导体的输电能力虽然不如金属导体，但是在生活中具有非常重要的应用。我们使用的各种电子产品，其中都要用到半导体器件。而半导体器件是由硅来制作而成的，目前单晶硅的纯度，已经可以达到 12 个 9 （99.9999999999%），可以说是地球上纯度最高的物质。 单晶硅 半导体中对电的传输，主要是通过载流子来实现，包括非自由的电子和空穴。在半导体中，电的输送方式主要有漂移、扩散、产生和复合。其中主要是用迁移量来表示描述载流子漂移速度。我们可以看到在半导体器件中，硅的载流子迁移率是 1350，碳纳米管、石墨烯的载流子迁移率可以达到 2 万甚至 10 万。如果今后用碳纳米管或石墨烯制作做半导体器件，不仅速度可以大大地提高，半导体器件体积也可以大大缩小。但真正实现碳纳米管或者石墨烯制成的半导体器件，还有很长的路要走。 我们再谈一下绝缘体，绝缘体指的是不善于传导电流的物质。在绝缘体上不是没有电子，它是有束缚电荷的，它只是没有自由的载流子。因此对于绝缘体来说，是没有绝对的绝缘体，只有不努力的电压。在电压大到一定程度的时候，就会把绝缘体击穿，从而变成导体。在最近的研究中，科学家们又发现，一种特殊的绝缘体叫拓扑绝缘体。拓扑绝缘体指的是体相不导电，但是在它的表面和界面处是导电的材料。这样的话，可以把电子自旋的属性利用起来，实现有序的电子的输运，从而大大减小能耗。这对电子器件的发展，同样也有非常重要的意义。 拓扑绝缘体 电的储存 06 人类能够产生电，也能够实现电的高效传输，但是传输到一定地方，我不想马上用电该怎么办？这时人类就想到了要储存电能，那么在电的存储方面主要有化学储能和物理储能。化学储能主要是利用锂离子、钠离子、锂空、锌空等二次电池技术。在电场的作用下，锂离子、钠离子可以嵌入或者脱嵌于电极，这样就能够储存电能，物理所在钠电池的开发方面，已经可以实用化了。虽然钠离子电池的充放电速度比锂离子电池要慢，但是因为钠在地球中的储量非常丰富，因此钠离子的电池价格非常低廉，可以广泛应用于我们的生活中。 化学储能 在物理储能方面，主要是利用电容器，电容器的结构比较简单，在两个电极之间放入电介质，就可以实现电的存储。而存储电量能力的大小，也就是电容的大小是和电介质的介电常数，电极板的面积已经两个电极板的距离成比例关系的。为了提高电容器的储电能力，科学家们又开发出了超级电容器，主要是利用电介质的双电层和一些贵金属氧化物的液电容来实现的。 超级电容器 碳纳米管、石墨烯等材料在超低温区的运用，极大地提高了超级电容器的容量。超级电容器，具有更高的循环次数，可以达到 5 万多次，同时充放电的速度也非常快，因此超级电容器未来将和，锂离子钠离子电池技术，成为生活中重要的储能技术。 |
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