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认识电

电力的起源及初步应用

法拉第原始直流发电机

公元1799年，意大利物理学家伏打发明了原始的伏打电池，人们开始利用电进行电镀。1836年，英国伦敦皇家学院的约翰·丹尼尔发明了比伏打电池性能更可靠、能提供恒稳电流的电池。次年，约翰·丹尼尔的同事查理·惠斯通利用这种电池，并用斯特金在1825年发明的电磁铁作为记录器，制成了可供实用的电报机。1876年，美国的贝尔和爱迪生发明了电话。

1840～1865年间，人们根据迈克尔·法拉第发现的发电机的基本原理，制造了好几种电磁发电机。这类机器的原理是：用一个绝缘导线绕成的线圈，在一个永久磁铁的磁场中旋转，从而产生电流。由于永久磁铁提供的磁场很弱，这种电磁发电机的效率很低。1866年，德国的西门子改用强有力的电磁铁代替永久磁铁(电磁铁所需的能量由机器本身产生的部分电力提供)，从而大大提高了发电机的效率。从此以后，人们的生活和电日益密切。

什么是电

电是能的一种形式，包括负电和正电2类，它们分别由电子和质子组成，也可能由电子和正电子组成，通常以静电单位(如静电库仑)或电磁单位(如库仑)度量，从摩擦生电物体的吸引和排斥上可以观察到它的存在，在一定自然现象中(如闪电或北极光)也能观察到它，通常以电流的形式得到利用。

电是一种自然现象。电是像电子和质子这样的亚原子粒子之间的产生排斥和吸引力的一种属性。它是自然界4种基本相互作用之一。电或电荷有2种：我们把一种叫做正电,另一种叫负电。通过实验我们发现带电物体同性相斥、异性相吸，吸引或排斥力遵从库仑定律。

国际上规定：丝绸摩擦过的玻璃棒带正电荷；毛皮摩擦过的橡胶棒带负电荷。

摩擦带电示意图

电不能制造，只能转化。要说电不能制造，小朋友们会觉得奇怪，老师在讲常识课时，不是用玻璃棒和头发互相摩擦就起电了吗?再说点亮电灯的电是哪里来的呢?

世界上的物体，比如水、树木甚至人体里都有电，但是电是无法制造的。以前有这么一个人，他想用人体与物体相撞的办法试一试电是怎么回事，于是就用头去碰一根柱子，碰得眼里金星乱冒，他以为这就是电的现象，便使劲碰，最后碰休克了。这是一件很滑稽的事，实际上头碰得再厉害，也感受不到电。

我们所说的起电是使物体带电的过程，这里所说的“电”也叫“电荷”，“带电”和“带电荷”是一个意思，在习惯上把带电的微粒叫电荷。

电能跑多快？

有人说：“孙悟空一个筋斗就能翻出去十万八千里远。”我们还是用老办法——先算算账。

十万八千里等于5.4万千米，算它是6万千米吧。翻一个筋斗大约要1秒钟，那就是说，孙悟空1秒钟能“走”6万千米。这算得了什么?由高频电流产生的电波1秒钟能走30万千米，等于孙悟空的5倍。你信不信?

在输电线路中，电子做定向有序流动时，电子的迁移速度称为“电子漂移速度”。可以这样理解，好比有一根管子，里面装满黄豆后，在从一头塞进去一粒黄豆，另一头马上就出来一粒，这相当于电流传播速度；而你单独看管子里的某一粒豆时，他的移动速度是很小的。光的传播速度就是光子的移动速度，而电的传播速度是指电场的传播速度（也有人说是电信号的传播速度，其实是一样的），不是电子的移动速度。导线中的电子每秒能移动几米（宏观速度）就已经是很高的速度了。电场的传播速度非常快，在真空中，这个速度的大小接近于光速。“电”的传播过程大致是这样的：电路接通以前，金属导线中虽然各处都有自由电子，但导线内并无电场，整个导线处于静电平衡状态，自由电子只做无规则的热运动而没有定向运动，当然导线中也没有电流。当电路一接通，电场就会把场源变化的信息，以大约光速的速度传播出去，使电路各处的导线中迅速建立起电场，电场推动当地的自由电子做漂移运动，形成电流。那种认为开关接通后，自由电子从电源出发，以漂移速度定向运动，到达电灯之后，灯才能亮，完全是对电的这种本领的误解。

电荷并不是电

　电荷是物质、原子或电子等所带的电的量。单位是库仑（记号为C）,简称库。

我们常将“带电粒子”称为电荷，但电荷本身并非“粒子”，只是我们常将它想象成粒子以方便描述。因此带电量多者我们称之为具有较多电荷，而电量的多寡决定了力场（库仑力）的大小。此外，根据电场作用力的方向性，电荷可分为正电荷与负电荷，电子则带有负电荷。

根据库仑定律，带有同种电荷的物体之间会互相排斥，带有异种电荷的物体之间会互相吸引。排斥或吸引的力与电荷的乘积成正比。

自然界中的电荷只有2种,即正电荷和负电荷。由丝绸摩擦的玻璃棒所带的电荷叫做正电荷,由毛皮摩擦的橡胶棒所带的电荷叫负电荷。电荷的最基本的性质是:同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。这是物质的固有属性之一。琥珀经摩擦后能够吸引轻小物体的现象是物体带电的最早发现。继而发现雷击、感应、加热、照射等等都能使物体带电。电分正、负，同号排斥，异号吸引，正负结合，彼此中和；电可以转移，此增彼减，而总量不变。

天地万物都经常带有电荷，这是构成物体的原子由于各种原因(如摩擦、受热、化学变化等)失去或获得电子的缘故。用现代科学方法可求得，太阳所带的总电荷量约为80库仑，电子所带的负电荷量e=1.6021892×10^-19库仑(质子所带的电荷量也是这个数值，不同的是质子所带的是正电荷)。电子的电荷是人们迄今所认识到的最小的电荷，目前已发现的基本粒子的电荷也都是这个最小的电荷的整数倍。

但是，从20世纪60年代起，科学家们从理论上提出构成强子的基础粒子的电荷不一定是e的整数倍，而很可能是一个带有分数的电荷，即粒子所带的电荷比电子电荷e小。随后，实验物理学家也设法从多方面寻找。他们从加速器中找，从宇宙线中找，甚至从月球物质中去找……

费尔班克实验

美国斯坦福大学费尔班克小组，经过多年努力，于1979年1月宣称：在铌球上找到了2个分数电荷，其值分别为(0.304±0.040)e和(0.345±0.035)e。这个实验是用质量9×10-5克的小铌球做的。他们把处于超导状态下的小铌球悬浮在由两块水平金属板构成的磁场之间，然后外加交变电场使铌球受迫振动，再测量振动幅度确定作用在铌球上的力，从而通过计算得出铌球所带的电荷。显然，这个实验与美国的物理学家密立根的测量电子电荷的油滴实验是十分相似的。

费尔班克的实验结果，已为分数电荷的存在提供了进一步的证据。但是要确证分数电荷的存在却非易事：①至今还未发现处于自由状态的带分数电荷的粒子，②有些科学家对费尔班克的实验结果还持有异议。若今后分数电荷的存在最终被证实，则“最小的电荷”的头衔当然要让给分数电荷了。

电流、电压和电阻

初学电学的人，有3个最基本的概念必须一开始就弄清楚。这就是电压、电流强度和电阻。

我们在前面说过，电能够在导体中流动。为什么会流动?是因为导体的两头存在着电位差。俗话说：“水往低处流”。水之所以会流动，就是因为地面有高有低的缘故。同样，电之所以能在导体中流动，也是因为导体两头的电位有高有低的缘故。

电压表

在电学上，电位差又叫做电压。当电在导体中流动的时候，我们通过仪表能够把电压测量出来。电压的单位叫伏特(记号为V)。测量电压的仪器叫做电压表。

电流和水流一样，它在流动的时候有一个数量大小的问题。人们常用在单位时间里通过导线某一个截面积的电量有多少来计算电流的强度。正像在水利工程中，常常根据在单位时间里有多少水通过一定的截面积来计算水的流量一样。在电学里，测量电流强度的单位叫安培(记号为A)。测量电流的仪器叫做电流表。

另外我们还要了解电流的三大效应。

电流表

电流的热效应

当电流通过电阻时，电流作功而消耗电能，产生了热量，这种现象叫做电流的热效应。①利用电流的热效应可以为人类的生产和生活服务。如在白炽灯中，由于通电后钨丝温度升高达到白热的程度，于是一部分热可以转化为光，发出光亮。②电流的热效应也有一些不利因素。大电流通过导线而导线不够粗时，就会产生大量的热，破坏导线的绝缘性能，导致线路短路，引发电火灾。为了避免导线过热，有关部门对各种不同截面的导线规定了允许最大通过的电流（安全电流）。导线截面越大，允许通过的电流也越大。

电流的磁效应

电流的磁效应，即动电会产生磁。任何通有电流的导线，都可以在其周围产生磁场的现象，称为电流的磁效应。生活中对电流磁效应的应用有很多。电视机中有显像管需要电磁铁作为电子的聚焦，电磁炉将电能转化为高频磁场。电话使用磁场中的通电导线达到驱动发音膜发生，手机将电能转化为电磁信号进行发射和接收。节能灯的电子镇流器将灯管内的低压气体点燃。

电流的化学效应

主要是电流中的带电粒子（电子或离子）参与而使得物质发生了化学变化。我们都知道，化学变化中往往是这个物质得到了电子，那个物质失去了电子而产生了的变化。最典型的就是氧化还原反应。而电流的作用使得某些原来需要更加苛刻的条件才发生的反应发生了，并使某些反应过程可逆了（比如说电镀、电极化）。

在不同材料做成的导体里，电流的流动情况也不相同，有的导体对电流的阻力大，有的就比较小。电线里的金属线往往用铜而不是用铁来做，就是因为铜对电流的阻力比铁小得多。电学上把物体对电流的阻力叫做电阻。在室温下，铜的电阻只有铁的十几分之一。

那么，物体为什么会有电阻呢?原来，电子在金属中运动的时候，不但被那些因为失去了电子而带正电的原子核所吸引，还要同导体里许多杂乱运动着的电子发生碰撞。这些都给定向流动的电子造成阻力。阻力越大，电流的“力气”就消耗得越多。我们用电阻小的材料做导线，就是为了让电的“力气”不至于在路上无谓地消耗掉。

电阻的大小还决定于导线的长短和截面积的大小。导线长了，电阻就大；截面积越小，电阻也越大。电阻的单位是欧姆（记号为Ω）。电阻会使电流强度减弱，这也不完全是坏事。有许多场合，人们正需要利用这个特性哩。

让我们举个例子吧！房间里装了空气自动调节器，室温就能经常保持在20℃左右，使人感到舒服。为什么空气自动调节器能够自动调节室温呢?这是一种叫做热敏电阻的功劳。热敏电阻对温度的变化有着极其灵敏的反应。要是温度升高或降低1℃，它的电阻就增加或减少5％左右。电阻增加，电子就不容易通过，电流就减弱；反过来，电流就增强。这种时弱时强的电流可以自动地减慢或加快空气调节器的工作，于是室内就能一直保持着使人感到舒适的温度。还有一种气敏电阻，它的特点是对空气中某种气体的增加或减少特别敏感。根据这个特点，人们把它制成了各种专门用途的电子鼻。例如检查煤气的电子鼻，只要周围空气里有一丁点儿煤气的成分，它就会向人们发出警告，防止煤气中毒。它甚至能够检查出埋在地下半米左右深处的煤气管道是不是漏气。依靠它，人们能够及时发现管道的漏洞，防止浪费，消除火灾和中毒事故。

上面，我们顺次讲了电压、电流强度和电阻这三个电学上的重要概念。现在还要请大家记住：它们三者之间的关系，可以用一个公式来表达：

电流强度=电压/电阻

这个公式是德国物理学家欧姆在1826年提出来的。他总结了前人的成果，为电学的发展做出了贡献。

电容

汹涌的河水流入到湖泊中,再让它流出来,那就显得平静而柔和了。电容就应该是充当了湖泊的作用吧。让电流更纯净没有杂波。

纸介电容

瓷介电容

所谓电容，就是容纳和释放电荷的电子元器件。电容的基本工作原理就是充电放电，当然还有整流、振荡以及其他的作用。另外电容的结构非常简单，主要由2块正、负电极和夹在中间的绝缘介质组成，所以电容类型主要是由电极和绝缘介质决定的。在计算机系统的主板、插卡、电源的电路中，应用了电解电容、纸介电容和瓷介电容等几类电容，并以电解电容为主。纸介电容是由两层正负锡箔电极和一层夹在锡箔中间的绝缘蜡纸组成，并拆叠成扁体长方形。额定电压一般在63～250V之间，容量较小，基本上是pF(皮法)数量级。现代纸介电容由于采用了硬塑外壳和树脂密封包装，不易老化，又因为它们基本工作在低压区，且耐压值相对较高，所以损坏的可能性较小。万一遭到电损坏，一般症状为电容外表发热。

瓷介电容是在一块瓷片的两边涂上金属电极而成，普遍为扁圆形。其电容量较小，都在pμF(皮微法)数量级。又因为绝缘介质是较厚瓷片，所以额定电压一般在1～3kV左右，很难会被电损坏，一般只会出现机械破损。在计算机系统中应用极少，每个电路板中分别只有2～4枚左右。

电解电容

电解电容的结构与纸介电容相似;不同的是作为电极的两种金属箔不同(所以在电解电容上有正负极之分，且一般只标明负极)，两电极金属箔与纸介质卷成圆柱形后，装在盛有电解液的圆形铝桶中封闭起来。因此，如若电容器漏电，就容易引起电解液发热，从而出现外壳鼓起或爆裂现象。电解电容都是圆柱形，体积大而容量大，在电容器上所标明的参数一般有电容量(单位:微法)、额定电压(单位:伏特)，以及最高工作温度(单位:℃)。其中，耐压值一般在几伏特～几百伏特之间，容量一般在几微法～几千微法之间，最高工作温度一般为85℃～105℃。指明电解电容的最高工作温度，就是针对其电解液受热后易膨胀这一特点的。所以，电解电容出现外壳鼓起或爆裂，并非只有漏电才出现，工作环境温度过高同样也会出现。

充电和放电是电容器的基本功能。使电容器带电（储存电荷和电能）的过程称为充电。这时电容器的两个极板总是一个极板带正电，另一个极板带等量的负电。把电容器的一个极板接电源（如电池组）的正极，另一个极板接电源的负极，两个极板就分别带上了等量的异种电荷。充电后电容器的两极板之间就有了电场，充电过程把从电源获得的电能储存在电容器中。

使充电后的电容器失去电荷（释放电荷和电能）的过程称为放电。例如，用一根导线把电容器的两极接通，两极上的电荷互相中和，电容器就会放出电荷和电能。放电后电容器的两极板之间的电场消失，电能转化为其他形式的能。

在一般的电子电路中，常用电容器来实现旁路、耦合、滤波、振荡、相移以及波形变换等，这些作用都是其充电和放电功能的演变。

电和电磁波

从这里开始，我们要介绍电学中另一个重要方面了。在神奇的电世界里，电磁波起着巨大的作用，它为人类做了数不清的好事。

我们在前面说过，导线里有电流通过的时侯，它就能够产生电场和磁场。现在我们还要进一步告诉大家：电场和磁场是互相依存、互相交替的；变化的电场在其附近产生变化的磁场，这个变化的磁场又在其附近产生新的变化的电场，新的变化的电场再在其附近产生新的变化的磁场……这样没完没了地交变下去，就越来越往外扩散，越传越远了。这个情况就好像一块小石头在池塘中激起的水波一样。因为它是电场和磁场交替变化而成的，所以科学家给它起个名字叫电磁波。

电磁波是一种奇妙的物质，我们用眼睛看不见，用耳朵听不到，用手摸不着，但是它又像别的物质一样，具有能量、动量和质量，能为我们做许多许多事情。

电磁波利用

电磁波的运动方式，就跟把石头扔进池塘所激起的水波一样，是一圈圈波浪起伏的同心圆，高处叫波峰，低处叫波谷。两个相邻的波峰(或波谷)之间的距离叫波长。

根据波长的不同，我们可以把电磁波作这样的分类；波长最长的我们把它叫做老大，无线电波当之无愧；接下去就是红外线——老二；再接下去是可见光——老三；紫外线是老四；X射线是老五；γ射线的波长最短，是小弟弟。

电磁波谱

这六兄弟，除了老三可见光，都是人类肉眼看不见的。起先，它们在自然界里一个个都隐藏得很好，并且还偷偷地帮助人类干活，譬如帮助我们把潮湿的衣服弄干；让我们能够欣赏这五光十色的美丽的世界；使各种植物能够生长。人们有时也都觉得奇怪，并感到有谁在暗暗帮助他们，总想把它们找出来。随着电学和其他科学的发展，终于一个个找到了它们，熟悉了它们。它们也就成了人类的忠实的助手。

先说老大无线电波。它的波长是最长的，在100微米以上。1微米等于1米的一百万分之一。100微米就是0.1毫米。因此，凡是波长大于0.1毫米的电磁波，像毫米波、厘米波、分米波、米波……都属于无线电波。

无线电波又可以分成几种波：波长在1000米以上的叫长波；1000米以下到100米是中波；100米以下到10米是短波；10米以下到1米是超短波。在这些波段当中，超短波用来播送电视信号，其他波段用于无线电广播和无线电通信。超短波还可以用来给飞机导航。

波长比超短波更短的就是分米波、厘米波和毫米波了。科学家给这三种波取了一个共同的名字，叫做微波。在无线电波之中，微波波长最短，用途却最多。研究微波的理论和应用的科学，叫微波技术。

现代的千里眼——雷达，主要是依靠微波来进行工作的。雷达依靠发射微波来搜索目标，微波碰到目标以后被反射回来。电波在空间的传播速度是30万千米/秒，因此根据发射和接收到回波的时间差，就可以算出目标的距离。现代的雷达不但能立刻测出距离的数字，还可以把目标的方位显示在荧光屏。

雷达

有的雷达专门用于监测敌人的飞机和导弹。它们可以“看到”5000千米以外的目标，叫做远程警戒雷达。把这种雷达装在人造卫星上，就可以在数万千米的高空居高临下地监视目标。只要敌人导弹一离开发射架，它马上就发出警报。

雷达能够保证船舶在茫茫的雾海中安全夜航；能够指挥飞机在机场上安全起落；能够让人们及时发现雷雨和风暴的来临，预测天气。进行天文观测的射电望远镜实质上也是一种雷达。

微波不仅可以用在通信技术上，而且可以用在生产上和生活上。原来微波有一个独特的本领——它碰到不同的物质，能起不同的作用。例如碰到金属，它就被反射回来；碰到塑料，它就穿透过去；碰到含水和含脂肪的物体，就能深入到这些物体的内部，被物体吸收，引起物体内部结构的振动，产生热量，把物体内部的水分驱赶出去，这样，物体便很快地干燥了。

在通常情况下，物体的干燥过程是从表面开始的，然后一层层地深入到内部，需要的时间比较长。利用微波技术使物体干燥，所用时间要比使用普通方法少得多。因此，用微波来烘干谷物、茶叶、棉花、木材等等是再好不过的了。

不仅如此，微波还可以为我们迅速地煮熟食物。用微波炉灶煮红烧肉，4分钟就熟了；用微波炉煮1～1.5千克重的鸡，10多分钟就可以吃。微波炉还可以用来烤鸭。

除了上面讲的这些本领，微波还可以用来检查金属有没有裂纹。有些裂纹即便是细到1个毫米的1/1000，也能检查出来。另外，用微波原理制成的仪器还可以用来精确地测定人的体温、脉搏、呼吸。最妙的是，测量的时候，仪器不用同人体直接接触。

关于电磁波家族里的老大——无线电波，就说到这里吧。现在该介绍老二——红外线了。

红外线的波长是0.77～1000微米(即1毫米)。它也可以划分为3种波段：

波长为0.77～3.0微米的叫近红外线；波长为3.0～30微米的是中红外线；波长为30～1000微米的叫远红外线。

任何物质的分子每时每刻都在运动。分子运动的时候就会辐射红外线，因此，任何物体，包括我们自己的身体在内，都不断地发射着这种看不见的射线。红外线很容易被物体所吸收，变成物体自己的能量。在阳光之中，几乎有一半是红外线，在阳光照射下我们感到暖和，就是因为我们的身体吸收了红外线。红外线的波长越短，它的穿透力就越弱，被吸收的效果就越好。波长最长的远红外线能够深入机体的内部，引起机体内的分子和原子的强烈共振从而使机体发热。

根据这个道理，人们制成了各种高效的烘干机。例如烘干谷物用的红外线烘干机，即便是湿透了的谷物，放到机器里，几分钟就完全被烘干了。我国有一些地区，在收割季节往往碰到阴雨连绵的天气，有了这种烘干机，受了潮的谷物就可以及时烘干，不至于发热腐烂了。

远红外线还可以用来治疗关节损伤、风湿病和慢性肾炎等等疾病。利用红外线，还可以勘探地下宝藏。把一种叫做红外遥感仪的仪器装在飞机或人造卫星上，可以迅速而清楚地发现矿藏。

红外线在军事上也有极大的用途。用红外线望远镜在夜间可以看见远方的敌人的坦克。用红外线摄影机能把黑暗中的敌坦克拍摄下来。甚至在坦克离开以后几个小时，用红外探测仪仍然可以探知它们曾经在这个地方停留过。如果我们把红外跟踪仪装在导弹头部，由于它对温度的敏感，它就会紧紧盯住敌机发出高温的部分——尾部的喷气口，紧追不舍，准确地击中敌机。利用红外探测仪，可以测出地壳运动所产生的热量，从而预报地震；还可以测出远在数百万千米以外星体的温度。它的灵敏度真是惊人!

电磁波家族中的老三——可见光，是我们大家最为熟悉的了。没有它，我们的眼睛就失去作用，谁也看不见这个绚丽多彩的世界。可是，你知道吗?你是怎样才能看得见这五颜六色的世界的呢?颜色的感觉又是怎么来的?

可见光图谱

这好像是个怪问题，难道还有谁不认识颜色吗?人们从雨后彩虹中可以看到，太阳光是由红橙黄绿青蓝紫七种颜色的光合成的。你恐怕还不知道，这七种颜色的光都是电磁波，不过波长不同罢了。譬如，红光的波长是0.77～0.62微米，绿光的波长是0.57～0.49微米，黄光是0.59～0.57微米，波长最短的紫光则是0.45～0.39微米。因此，可见光是从0.39～0.77微米这一段波长的电磁波。我们之所以能够看见物体有各种颜色，是因为不同物体反射不同波长的光波。譬如，红色的花朵就反射0.77～0.62微米的光波，而绿色的叶子就反射0.57～0.49微米的光波。这样，我们就感觉到花是红的，叶子是绿的。世界上五彩缤纷的颜色就是这段波长的电磁波的杰作。

电路

电流流过的回路叫做电路，又称电子回路。最简单的电路由电源负载和导线、开关等元件组成。电路处处连通叫做通路。只有通路，电路中才有电流通过。电路某一处断开叫做断路或者开路。电路某一部分的两端直接接通，使这部分的电压变成零，叫做短路。一个完整的回路必须要由电器、电源、导线这三项基本元素构成。

电路中的标识

电路的作用是进行电能与其他形式的能量之间的相互转换。因此，用一些物理量来表示电路的状态及各部分之间能量转换的相互关系。在电路中电流是有方向的，我们必须先确定电流的方向。首先弄清楚一个概念——什么是电流的正方向？电流的真实方向和正方向是两个不同的概念，不能混淆。

习惯上总是把正电荷运动的方向，作为电流的方向，这就是电流的实际方向或真实方向，它是客观存在，不能任意选择。在简单电路中，电流的实际方向能通过电源或电压的极性很容易地确定下来。

但是，在复杂直流电路中，某一段电路里的电流真实方向很难预先确定，在交流电路中，电流的大小和方向都是随时间变化的。这时，为了分析和计算电路的需要，引入了电流参考方向的概念，参考方向又叫假定正方向，简称正方向。

所谓正方向，就是在一段电路里，在电流两种可能的真实方向中，任意选择一个作为参考方向（即假定正方向）。当实际的电流方向与假定的正方向相同时，电流是正值；当实际的电流方向与假定正方向相反时，电流就是负值。

门铃电路图

换一个角度看，对于同一电路，可以因选取的正方向不同而有不同的表示，它可能是正值或者是负值。要特别指出的是，电路中电流的正方向一经确定，在整个分析与计算的过程中必须以此为准，不允许再更改。在电路中：如果指定流过元件的电流参考方向是从标以电压的正极性的一端指向负极性的一端，即两者的参考方向一致，则把电流和电压的这种参考方向称为关联参考方向。当两者不一致是，称为非关联参考方向。

电路有3种联通状态：①开路。也叫断路。因为电路中某一处因中断，没有导体连接，电流无法通过，导致电路中电流消失，一般对电路无损害。②短路。电源未经过任何负载而直接由导线接通成闭合回路，易造成电路损坏、电源瞬间损坏，如温度过高烧坏导线、电源等。③通路。处处连通的电路。电路只有通路的时候电器才能正常工作。

电功率

我们看看自己家的家用电器。上面一般都标有这样的标识：

电视200W

电灯60W,35W,11W(节能)

电冰箱100W

电暖器1200W

热水器800W

洗衣机60W

电炉子1000W

这后面的W就代表功率。

　在相同时间内，电流通过不同用电器所做的功，一般并不相同。例如，在相同的时间内，电流通过电动机车的电动机所做的功，要显著地大于通过电扇的电动机所做的功。为了表示电流做功的快慢，物理学中引入了电功率的概念

电流在单位时间内所做的功叫做电功率。电功率用P来表示，P=W/t，而W＝U×I×t（即电压乘以电流乘以时间），所以

P=UI

上式表明，电功率等于电压与电流的乘积

在上式中，电压U的单位要用伏特，电流I的单位要用安培，这样，电功率P的单位就是瓦特（记号为W）。

电功率的单位还有千瓦，符号是kW

1kW=1000W

把公式P=W/T变形后可得W=Pt,由此可以定义“千瓦时”，电流在1h内所做的功，就是1kW·h

1kW·h=1000W×3600s=3.6×10⁶J。我们平时家里用的电表就是测量电功的仪器。

电功表

1千瓦时也就是我们平时说的1度。你可别小看了这一度电,1度电可以使：

电炉炼钢1.6千克

采掘原煤105千克

电车行驶0.85千米

灌溉农田330平方米

洗衣机工作2.7小时

电脑工作5小时

所以我们要节约每一度电。

明白了电功率的计算方法，我们就可以算出我们家每个月的用电量。朋友们不妨用我们学到的方法算一算。一盏电灯连在电压是220伏的电路中,灯泡中通过的电流是68毫安,这个灯泡的电功率是多少瓦?一个月总共通电100个小时,电流所做的功是多少焦尔?多少千瓦时?

用电器实际消耗的功率随着加在它两端的电压而改变，既然如此，我们就不能泛泛地说一个用电器的功率是多大，而要指明电压。用电器正常工作时的电压叫做额定电压，用电器在额定电压下的功率叫做额定功率。我们使用各种用电器一定要注意它的额定电压，只有在额定电压下用电器才能正常工作。实际电压偏低，用电器消耗的功率低，不能正常工作；实际电压偏高，长期使用会影响电器的寿命，还可能烧坏用电器。

电家族中的两兄弟：直流电和交流电

直流电是电流的方向不随时间的变化而改变，但电流大小可能不固定，而产生波形。又称恒定电流。所通过的电路称直流电路。

测量直流电路中电流、电压、电阻、电源电动势等物理量的仪表称为直流仪表。常用的有电流计、安培计、伏特计、电桥、电势差计等。

直流电源有化学电池、燃料电池、温差电池、太阳能电池、直流发电机等。直流电主要应用于各种电子仪器、电解、电镀、直流电力拖动等方面。利用直流电,还可以进行水的电解实验。将负极插入水中，可以使水电解为氢气，正极则使水电解为氧气。

在电力传输上，19世纪80年代以后，由于不便于将直流电低电压升至高电压进行远距离传输，直流输电曾让位于交流输电。20世纪60年代以来，由于采用高电压、大功率变流器将直流电变为交流电，直流输电系统又重新受到重视并获得新的发展。

交流电也称“交变电流”，简称“交流”，一般指大小和方向随时间作周期性变化的电压或电流。它的最基本的形式是正弦电流。我国交流电供电的标准频率规定为50赫兹，日本等国家为60赫兹。交流电随时间变化的形式可以是多种多样的。不同变化形式的交流电，其应用范围和产生的效果也是不同的。现在使用的交流电，一般是方向和强度每秒改变50次。

我们常见的电灯、电动机等用的电都是交流电。在实用中，交流电用符号“～”表示。

说了这么多我们还没能明白直流电和交流电到底有什么区别？下面我们就结合实际生活应用中来比较一下这俩兄弟：

排起辈分来，直流电还是交流电的老大哥，因为人类最早得到的是直流电，后来，改进了发电机才得到了交流电。

从用途上说，直流电、交流电各有优点，有些场合适宜用交流电，有些场合非用直流电不可。

把交流电变成机械能的机器，叫做交流电动机。这种机器结构简单，容易制造，也比较耐用，转速也很稳定，因此用途极广。工厂里许多机床都是用交流电动机来带动的，农村里常用的脱粒机、碾米机、抽水机等等都要用到交流电动机。交流电的发电成本，也比直流电便宜，因此，人们照明、取暖一般也都用交流电。

对于直流电，我们比较生疏，但是它的用处也很大。直流电流动的方向不变，因此，用它来发动的直流电动机，转速可以任意调节。这是一个很重要、很有用的优点。

例如电车，就必须用直流电来开动。电车在爬坡的时候，要用很大的力气，这时候直流电机的转速就会减慢，力气就加大，好把电车送上坡。而在下坡的时候，直流电机就会加快转速，减小力气。

要是用交流电来开电车，这种电车就不适宜乘坐。因为交流电动机的转速是固定的，一通电，马上就全速转动，没有由慢到快的过程；一断电，马上就停止转动，没有由快到慢的过程。坐在这种电车里的乘客，在车子一开一停的时候，互相撞来撞去，非摔得鼻青脸肿不可。所以，电车无论如何不能采用交流电动机。

不光是电车，矿山里的卷扬机和升降机、高层建筑里的电梯、货轮上的电动吊车等等，大都得用直流电。

另外，电话也必须用直流电，如果用交流电，我们就没法通话，因为交流电会发出嗡嗡的杂音，无法让我们听清对方的声音。

无线电通信中的收发报机、扩音机、收音机、雷达等等都必须用直流电；电子计算机也必须使用直流电。因为这些设备都要求电子按照人们所规定的方向、用一定的能量去工作。因此，现代电子技术都需要用直流电作为工作电源。从这个意义上来说，直流电的用途绝不比交流电小。它有着自己的广阔天地。

那么直流电从哪里来?可以用直流发电机来产生。不过直流发电机的结构很复杂，而且很容易损坏，也不能得到比较高的电压，所以人们一般不用这个办法来得到直流电，而是用各种各样的整流器，把交流电变为直流电。这是简便而又便宜的方法。

袖珍发电机：电池

电池指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间。随着科技的进步，电池泛指能产生电能的小型装置，如太阳能电池。

电池

电池的能量储存有限，电池所能输出的总电荷量叫做它的容量，通常用安培小时作单位，它也是电池的一个性能参数。电池的容量与电极物质的数量有关，即与电极的体积有关。

下面我们来详细说2种电池的工作原理。

(1)原子电池。①核电池，它是将原子核放射能直接转变为电能的装置。有的原子电池是利用放射性同位素放出的射线产生热量，根据温差电现象通过热电偶将其转化为电能；也有的是利用射线作用于某些物质能发光的原理，先将辐射转变为荧光，再使荧光作用于硅光电池产生电能。这种原子电池的结构，和太阳能电池基本相同，是比较常用的原子电池。②原子电池是由辐射β射线（高速电子流）的放射源，收集这些电子的集电器，以及电子放射源与集电器之间的绝缘体3部分组成。放射源一端因失去电子成为正极，集电器一端得到电子成为负极，于是在两电极间形成电势差。这种原子电池可产生较高的电压，但电流较小。常用作原子电池中的放射性物质有钚-238、钷-147、锶-90等。这种电池的突出特点是寿命长、重量轻、不受外界环境影响、运行可靠。主要用于人造卫星、宇宙飞船、海上的航标与游动气象浮标，以及无人灯塔之中。现在也把原子电池作为人工心脏起搏器的电源，在医疗方面得到了应用。

(2)锂离子电池，俗称“锂电”，是目前综合性能最好的电池体系。锂离子电池负极是碳素材料，如石墨。正极是含锂的过渡金属氧化物，如LiMn₂O₄。电解质是含锂盐的有机溶液。通常锂离子电池并不含金属锂。充电时，在电场的驱动下锂离子从正极晶格中脱出，经过电解质，嵌入到负极晶格中。放电时，过程正好相反，锂离子返回正极，电子则通过了用电器，由外电路到达正极与锂离子复合。

锂电池

由于锂离子电池不含任何贵重金属，原材料都很便宜，降价空间很大，应该是最便宜的电池。目前媒体经常报道聚合物锂电池或固态锂电池，实际上它的主要部件：正极、负极和电解质以及工作原理都和使用液体电解质的锂离子电池一样，只是隔膜和包装材料不同，因此，仍属于锂离子电池。与传统的二次电池相比，锂离子电池有突出的优点：工作电压高锂离子电池的工作电压在3.6伏，是镍镉和镍氢电池工作电压的3倍。在许多小型电子产品上，一节电池即可满足使用要求。这也是与其他二次电池的重大区别，因此只能用锂离子电池专用充电器来充电，以免发生事故。比能量高锂离子电池比能量目前已达140瓦时／千克，是镍镉电池的3倍、镍氢电池的1.5倍。循环寿命长。目前锂离子电池循环寿命已达1000次以上，在低放电深度下可达几万次，超过了其他几种二次电池。自放电小锂离子电池月自放电率仅为6%～8%，远低于镍镉电池（25%～30％）及镍氢电池（30%～40％）。无记忆效应。可以根据要求能够随时充电，而不会降低电池性能。对环境无污染。锂离子电池中不存在有害物质，是名副其实的“绿色电池”。现在锂电池的使用越来越多，电池放置一段时间后则进入休眠状态，此时容量低于正常值，使用时间亦随之缩短。但锂电池很容易激活，只要经过3～5次正常的充放电循环就可激活电池，恢复正常容量。由于锂电池本身的特性，决定了它几乎没有记忆效应。因此用新锂电池在激活过程中，是不需要特别的方法和设备的。不仅理论上是如此，从实践来看，从一开始就采用标准方法充电，这种“自然激活”方式是最好的。

对于锂电池的“激活”问题，众多的说法是：充电时间一定要超过12小时，反复做3次，以便激活电池。这种“前三次充电要充12小时以上”的说法，明显是从镍电池（如镍镉和镍氢）延续下来的说法。所以这种说法，可以说一开始就是误传。锂电池和镍电池的充放电特性有非常大的区别，而且可以非常明确地告诉大家，所有严肃的正式技术资料都强调过充和过放电会对锂电池（特别是液体锂离子电池）造成巨大的伤害。因而充电最好按照标准时间和标准方法充电，特别是不要进行超过12个小时的超长充电。

锂电池或充电器在电池充满后都会自动停充，并不存在镍电充电器所谓的持续10几小时的“涓流”充电。也就是说，如果你的锂电池在充满后，放在充电器上也是白充。而我们谁都无法保证电池的充放电保护电路的特性永不变化和质量的万无一失，所以你的电池将长期处在危险的边缘徘徊。这也是我们反对长充电的另一个理由。

此外在对某些机器上，充电超过一定的时间后，如果不去取下充电器，这时系统不仅不停止充电，还将开始放电—充电循环。也许这种做法的厂商自有其目的，但显然对电池的寿命而言是不利的。同时，长充电需要很长的时间，往往需要在夜间进行，而以我国电网的情况看，许多地方夜间的电压都比较高，而且波动较大。前面已经说过，锂电池是很娇贵的，它比镍电在充放电方面耐波动的能力差得多，于是这又带来附加的危险。

不可忽视的另外一个方面就是锂电池同样也不适合过放电，过放电对锂电池同样也很不利。

在手机中，无论是从技术角度评估还是从价格方面的考虑，电池都占有十分重要的地位。时值今日，市场上正在销售的手机中，所使用的电池已经基本完成了从镍电池到锂电池的过渡。也许是由于手机电池刚刚完成了一次镍电池到锂电池的革命，所以人们对锂电池的认识并不统一，在许多情况下不正确的说法和做法颇为流行。

无处不在的电现象

雷电现象

雷电全年都会发生，而强雷电多发生于春夏之交和夏季。

雷电是由带电的云层对地面建筑物及大地的自然放电引起的，它会对建筑物或设备产生严重破坏。因此，对雷电的形成过程及其放电条件应有所了解，从而采取适当的措施，保护建筑物不受雷击。

夏天的雷电

在天气闷热潮湿的时候，地面上的水受热变为蒸汽，并且随地面的受热空气而上升，在空中与冷空气相遇，使上升的水蒸汽凝结成小水滴，形成积云。云中水滴受强烈气流吹袭，分裂为一些小水滴和大水滴，较大的水滴带正电荷，小水滴带负电荷。细微的水滴随风聚集形成了带负电的雷云；带正电的较大水滴常常向地面降落而形成雨，或悬浮在空中。由于静电感应，带负电的雷云，在大地表面感应有正电荷。这样雷云与大地间形成了一个大的电容器。当电场强度很大，超过大气的击穿强度时，即发生了雷云与大地间的放电，就是一般所说的雷击。雷电是大气中的一种放电现象。雷雨云在形成过程中，一部分积聚起正电荷，另一部分积聚起负电荷，当这些电荷积聚到一定程度时，就产生放电现象。放电有的发生在云层与云层之间，有的则发生在云层与大地之间，这两种放电现象俗称打雷。打雷造成危害又叫雷击。雷击分为直接雷击与间接雷击。它会破坏建筑物、电气设备，伤害人、畜。打雷放电时间极短，但电流异常强大。放电时产生的强光，就是闪电。闪电时释放出的大量热能，能使局部空气温度瞬间升高1万～2万℃。如此巨大的能量，具有极大的破坏力，可造成电线杆、房屋等被劈裂倒塌以及人、畜伤亡，还会引起火灾及易爆物品的爆炸。由于光速要远大于声音传播的速度，所以我们先看到闪电过一会才会传来轰隆隆的雷声。

雷电

肉眼看到的一次闪电，其过程是很复杂的。当雷雨云移到某处时，云的中下部是强大负电荷中心，云底相对的下垫面变成正电荷中心，在云底与地面间形成强大电场。在电荷越积越多，电场越来越强的情况下，云底首先出现大气被强烈电离的一段气柱，称“梯级先导”。这种电离气柱逐级向地面延伸，每级梯级先导是直径约5米、长50米、电流约100安培的暗淡光柱，它以平均约150千米/秒的高速度一级一级地伸向地面，在离地面5～50米左右时，地面便突然向上回击，回击的通道是从地面到云底，沿着上述梯级先导开辟出的电离通道。回击以5万千米/秒的更高速度从地面驰向云底，发出光亮无比的光柱，历时40微秒，通过电流超过1万安培，这即第一次闪击。相隔几秒之后，从云中一根暗淡光柱携带巨大电流，沿第一次闪击的路径飞驰向地面，称直窜先导，当它离地面5～50米左右时，地面再向上回击，再形成光亮无比光柱，这即第二次闪击。接着又类似第二次那样产生第三四次闪击。通常由3～4次闪击构成一次闪电过程。一次闪电过程历时约0.25秒，在此短时间内，窄狭的闪电通道上要释放巨大的电能，因而形成强烈的爆炸，产生冲击波，然后形成声波向四周传开，这就是雷声或说“打雷”。

雷的高能量

雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，常伴有强烈的阵风和暴雨，有时还伴有冰雹和龙卷。积雨云顶部一般较高，可达20千米，云的上部常有冰晶。冰晶的凇附、水滴的破碎以及空气对流等过程，使云中产生电荷。一般情况，云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主，云的上、下部之间形成一个电位差，当电位差达到一定程度后就会产生放电，这就是我们常见的闪电现象。闪电的平均电流是3万安培，最大电流可达30万安培。闪电的电压很高，约为1亿～10亿伏特。一个中等强度雷暴的功率可达1000万瓦，相当于一座小型核电站的输出功率。放电过程中，由于闪道中温度骤增，使空气体积急剧膨胀，从而产生冲击波，导致强烈的雷鸣。

地球是个大电容

地球的结构

前面我们讲了什么是电容，其实我们生活中电容随处可见。别的不说，我们生活的地球就是个巨大的电容。它也在时刻不同的聚集和释放着海量的电荷。我们先来认识一下地球的核心——地核。

地球的地核是什么状态的？许多地球物理学家对地核的状态无法确定。有的认为是高温液态地核，有的认为是固态地核。不过根据地震波的传播情况，丹麦的莱曼博士认为地核是固态的，著名的德国地球物理学家古登堡也认同这个观点。1960年智利发生大地震时，地震波的传播确实显示：地核应该不是液态的，是固态的。但是到底是什么样的固态呢？很少有人深入探讨这个问题。

据科学推算，地心的压力为360万个大气压，地核的温度可达到6000K，与太阳表面温度相当。在这种巨大的高温和高压下，“固态地核”绝对不可能是我们常温状态下的固态物质，更不会是一般认为的铁质地核。

了解电子管的人都知道，一般的金属材料达到1200～3000K的温度时就会有大量的电子逸出。事实上，受热溢出电子并不是金属独有的特征。几乎所有物质的原子在吸收能量（高温下）后都会发生电子的跃迁，电子由低轨道进入高轨道，当能量足够大时，电子的运动就会挣脱原子核束缚而逃逸掉。

核聚变反应的原理也是这样：原子在巨大的高温高压下，大部分核外电子会逃逸掉，最后剩下裸露的原子核。这样，两个热核才会有机会聚合在一起发生威力极大的聚变反应。这种原子的核外电子在高温高压中逃逸的现象，被称为“热压电效应”。

地球电场

因此可以推测，高温高压下的地核应该是一个由大量的正离子挤压在一起形成的“正电核”，具有惊人的密度。这些正离子依靠彼此间的斥力，抗衡着外界的巨大压力。

那么，那些电子跑到哪里去了呢？地核中的大量电子会向外层逃逸，但大多数不会逃得太远，因为它们仍然受到地核总体的正电场引力、地幔物质的电阻作用和磁场力，所以大多数电子分布在地幔层与地壳之间，形成了一个球形的负电层，根据对地球内部的探测，地幔层确实带负电。因此可以说地球是个异常巨大的电容器！正极在球心，负极在球壳处。

不过还是有少量的电子会克服重重阻力而游离到地表以上，在大气层中的各个层面上（云层、臭氧层、电离层）逗留，最终向太空中逸散。环境保护部门早就发现，自然界的空气中总是存在着一定数量的负离子，有关专家认为空气中负离子的标准值是：每立方厘米应该含有5000个以上。如果哪个地区低于这个值，环保部门就会认为此地区的空气不够清新。

至此，我们更容易理解，为什么地球表面经常有雷电、极光、地磁、地震等电磁现象，这些其实都是地球电场的表现，由于电子向大气中游离，大气和地表之间本来就存在电场，地幔层电子的自转也会产生较大的地磁。

地球极光

许多天文学家发现，在木星等其他行星上也有像地球一样的“高空闪电”和极光，特别是有人发现了在天王星上也有极光现象，这是普通极光理论无法解释的。那么其他星球是否也像地球一样，是个巨大的电容器呢？

神奇的生物电

世界上的一切物质都是原子构成的。每种原子里都存在一定数量的电荷。生物体也是物质，所以每一种生物都是一个带电体。从自然界的花花草草到我们的身体本身。下面我们就来看几种个神奇的生物电吧。

鱼还会放电，够稀奇吧！下面我们就去看看这种生活在南美亚马孙河流域的会放电的鱼。电鳗是生活在南美亚马孙河的一种鳗类。它在鱼里面算是高大威猛的了。全身大概有2米多，体重有20千克呢。它行动迟缓，栖息于缓流的淡水水体中，并不时上浮水面，吞入空气，进行呼吸。体长，圆柱形，无鳞，灰褐色。背鳍、尾鳍退化，但占体全长近4/5的尾，其下缘有一长形臀鳍，依靠臀鳍的波动而游动。尾部具发电器，来源于肌肉组织，并受脊神经支配。能随意发出电压高达650伏的电流，所发电流主要用以麻痹鱼类等猎物。

电鳗是鱼类中放电能力最强的淡水鱼类，输出的电压300～800伏，因此电鳗有水中的“高压线”之称。电鳗的发电器的基本构造与电鳐相类似，也是由许多电板组成的。它的发电器分布在身体两侧的肌肉内，身体的尾端为正极，头部为负极，电流是从尾部流向头部。当电鳗的头和尾触及敌体，或受到刺激影响时即可发生强大的电流。电鳗的放电主要是出于生存的需要。因为电鳗要捕获其他鱼类和水生生物，放电就是获取猎物的一种手段。它所释放的电量，能够轻而易举地把比它小的动物击死，有时还会击毙比它大的动物，如正在河里涉水的马和游泳的牛也会被电鳗击昏。

电鳗

那么电鳗是如何判断周围存在威胁并释放电流还击的呢？电鳗尾部发出的电流，流向头部的感受器，因此在它身体周围形成一个弱电场。电鳗中枢神经系统中有专门的细胞来监视电感受器的活动，并能根据监视分析的结果指挥电鳗的行为，决定采取捕食行为或避让行为或其他行为。有人做过这么一个实验：在水池中放置两根垂直的导线，放入电鳗，并将水池放在黑暗的环境里，结果发现电鳗总在导线中间穿梭，一点儿也不会碰导线；当导线通电后，电鳗一下子就往后跑了。这说明电鳗是靠“电感”来判断周围环境的。

但是我们还有一个疑问：电鳗释放如此强大的电流，怎么它自己能幸免于难不被电到呢？原来啊，电鳗体内有许多所谓的生物电池串联及并联在一起，所以虽然电鳗的头尾电位差可以高达750伏，但是因为生物电池的并联（一共约140行）把电流分散掉，所以实际上，通过每个行的电流跟它电鱼时所放出的电流差了两个命令，相对之下小得多，所以它才不会在电鱼时，把自己也给电死。

还有一种和电鳗极其相似的鱼类叫电鳐。电鳐是一种软骨鱼类，体形圆形或椭圆形，口和眼睛都很小，生活在热带和亚热带近海，我国的东海和南海就有分布。它常将身体半埋于泥沙中，或在海底匍匐前进。

电鳐

在电鳐的头部和胸鳍之间有一个椭圆形发电器，是由肌肉特化而成的。发电器由若干肌纤维组成，形成六角形柱状管，管内有无色的胶状物质，主要起电解作用。管内有许多扁平的电板排列，电板由一些小的化学细胞组成，与神经相连，我们把它们叫做“电板细胞”。电鳐捕捉食物时，信号通过神经传导到电板的细胞，小细胞产生化学物质，改变细胞膜内和膜外的电荷分布，产生电位差，电流也就因此产生了。一个细胞产生的电流很小，一条电鳐身上有数百万个电板细胞，它们同时放电的时候，电流就相当大了。生活在大西洋和印度洋的热带及亚热带近岸水域中的巨鳐，体型较大，最大者可达2米多。科学家们曾对这种电鳐进行过测试，结果发现，它可以产生60伏电压，50安培的电脉冲，3000瓦功率的电击，足以击毙一条几十千克的大鱼。世界上第一个人工电池——伏打电池，就是根据电鳐的发电器官为模型而设计出来的。

有一种鸟它们也是靠着自己体内神奇的生物电称霸海上，每次捕食从不失手。它们就是有着“海上强盗”之称的军舰鸟。军舰鸟是一种大型热带海鸟，全世界目前已知的有5种，主要生活在太平洋、印度洋的热带地区，我国的广东、福建沿海及西沙、南沙群岛也有分布。

军舰鸟

军舰鸟全身羽毛呈黑色，夹有蓝色和绿色光泽，喉囊、脚趾为鲜红色。雌鸟下颈、胸部为白色，羽毛缺少光泽。军舰鸟胸肌发达，善于飞翔，素有“飞行冠军”之称。它的两翅展开足有2～5米之长，捕食时的飞行时速可达400千米左右，是世界上飞行最快的鸟。它不但能飞达约1200米的高度，而且还能不停地飞往离巢穴1600多千米的地方，最远处可达4000千米左右。有人曾看见军舰鸟在12级的狂风中临危不惧，安全从空中飞行、降落。

军舰鸟一般栖息在海岸边树林中，主要以食鱼、软体动物和水母为生。它白天常在海面上巡飞遨游，窥伺水中食物。一旦发现海面有鱼出现，就迅速从天而降，准确无误地抓获水中的猎物。有趣的是，军舰鸟时常懒得亲自动手捕捉食物，而是凭着高超的飞行技能，拦路抢劫其他海鸟的捕获物。如果它看到邻居红脚鲣鸟捕鱼归来时，便对它们突然发起空袭，迫使红脚鲣鸟放弃口中的鱼虾，然后急速俯冲，攫取下坠的鱼虾，占为己有。由于军舰鸟有“抢劫”行为，人们贬称它为“强盗鸟”。

军舰鸟之所以能这样横行于海面，是因为它有一种过硬的本领——能在飞鱼落水前的一刹那叼住它，从不失手。美国科学家经过10多年研究，发现军舰鸟的“电细胞”非常发达，其视网膜与脑细胞组织构成了一套功能齐全的“生物电路”，它的视网膜是一种比人类现有的任何雷达都要先进百倍的“生物雷达”，脑细胞组织则是一部无与伦比的“生物电脑”，因此它们才有上述绝技。

不止动物体内存在这神奇的生物电，有些植物的生物电也很神奇呢。含羞草你们一定见过。我们知道它一旦被人碰到就会害羞地合上叶片，像个害羞的小姑娘，因此人们称她为含羞草。

含羞草

含羞草的这种特殊的本领，是有它的一定历史根源的。它的老家在热带南美洲的巴西，那里常有大风大雨。每当第一滴雨打着叶子时，它立即叶片闭合，叶柄下垂，以躲避狂风暴雨对它的伤害。这是它适应外界环境条件变化的一种适应。另外，含羞草的运动也可以看作是一种自卫方式，动物稍一碰它，它就合拢叶子，动物也就不敢再吃它了。含羞草的叶子如遇到触动，会立即合拢起来，触动的力量越大，合得越快，整个叶子都会垂下，像有气无力的样子，整个动作在几秒钟就完成。其实含羞草就是一种草，哪会像人一样害羞呢？它的表现都是生物电的功劳。含羞草的叶片受到刺激后，立即产生电流，电流沿着叶柄以14毫米/秒的速度传到叶片底座上的小球状器官，引起球状器官的活动，而它的活动又带动叶片活动，使得叶片闭合。不久，电流消失，叶片就恢复原状。

生活中的静电

我们用一把干燥的塑料梳，在干燥的头发上梳几下，再靠近纸屑和绒毛，塑料梳立刻会把这些轻小的东西吸住。因为塑料梳和头发摩擦以后，上面带了电荷，这叫做摩擦起电。

人带静电后头发竖起来

冬天，在气候干燥的晚上，把电灯关了，人对着镜子，用干燥的塑料梳梳自己的头发（事先可用肥皂洗洗头发，并让它干燥）。在镜子里，你会看到头发和梳子中间，发出闪闪的火花，还会听到“噼啪”的爆裂声。塑料梳和头发摩擦时，它们都带了大量的不同电荷，摩擦后就放出电火花，发出爆裂声，这叫做放电。

运汽油的汽车行驶在路上，油罐里的汽油不断地和油槽壁摩擦，油罐上就会产生电荷。要是电荷越积越多，经过摩擦，就放出电火花。汽油是容易着火的，碰到电火花时，立刻会烧起来，油罐就有爆炸的危险。为了避免发生事故，在油罐上拖一条尾巴——装一根铁链拖在地上，使电荷沿铁链传到地面，就可避免爆炸。

另外空气中的灰尘，在飘扬的时候，也跟空气摩擦而带电，会黏吸在油车上。如果电荷越积越多，达到能放火花的程度，那么，往油罐里倒汽油时，就可能产生电火花使汽油烧起来。运油的汽车有了这一条尾巴，可以把车身上灰尘带来的电荷，传到地面，汽油就不会着火了。

电的应用

控制雷电与利用雷电

随着科学技术的迅速发展，雷电这一自然现象已基本上被人们了解。但是我们应当在了解雷电的基础上，做到控制雷电并使之为人类服务。怎样才能利用雷电呢？

一提起利用雷电，我们就会联想到打雷下雨时雷声隆隆、电光闪闪的壮观景象。

闪电的能量

大家一定会认为闪电可以释放出大量的能量，并企图利用闪电的能量。但是，利用闪电的能量有一个困难，就是闪电不能按人们的希望在一定的时刻发生。换句话说，就是闪电不易控制。另外，虽然闪电是最常见的自然现象，但是据统计，每年在每平方千米面积上平均只有一两次闪电。雷雨云单体的尺度从1千米至10千米，所以各次闪电都隔着很大的距离。有人测量并统计过，在强雷雨时闪电之间的平均距离是2.4千米。在弱雷雨时闪电之间的平均距离是3.7千米。

如果竖立一根很高的铁杆引雷，雷击的次数要多些，但是闪电击中铁杆的次数仍不很多。有人统计过，在一个雷雨季节，雷电击中高400～800米的避雷针的次数也不过20次。

很早就有人做过利用闪电制造化肥，肥沃土地的实验。我们知道，氮和氧是空气的主要成分。氮是一种惰性气体，在平常的温度下，它不易与氧化合，但是当温度很高时，它们就能化合成二氧化氮。

如果我们有兴趣，可以做一个简单的实验：用一个封闭的玻璃瓶，里面充满空气并插上电极。通电时，电极间就有耀眼的火花闪耀。火花之中，慢慢地有黄色的氮气燃烧的火焰出现。过一会儿，原来无色的空气会变成红棕色，把瓶子打开，迎面就有一股令人窒息的气味，这就是二氧化氮。如果往瓶子里倒些水，摇晃几下，红棕色的气体马上消失，二氧化氮溶解于水变成硝酸。

自然界的闪电火花有几千米长，温度很高，一定有不少氮和氧化合生成二氧化氮。闪电时生成的二氧化氮溶解在雨水里变成浓度很低的硝酸。它一落到土壤中，马上和其他物质化合，变成硝石。硝石是很好的化肥。有人计算过每年每平方千米的土地上有100～1000克闪电形成的化肥进入土壤。

人工闪电制肥实验的做法有很多，这里只举一个例子。有人在田野里竖立3根杆子（制肥器），一般是木杆，杆高约20米，杆距120米，杆子顶部装有金属接闪器，用金属导线从接闪器一直引到地下埋入土中。建立后，曾进行了2次雷击实验。在每次雷击后对实验地段附近地区的雨水及土壤进行化学分析，测量其中硝酸态氮含量的增减。第一次雷击强度较小，比较明显的范围半径约15米，有效面积约1亩。经过土壤分析。结果是约增氮0.94～1千克，相当于硫酸铵4.7～5千克／亩。第二次雷雨强度较大，以实验地点为中心50米半径范围内，平均每亩增加2.7千克，相当于硫酸铵13.55千克。

从以上实验可以看到，雷电确实起到了把空气里的氮“固定”到土壤里去的作用。更有趣的是，有人为了验证人工闪电制肥实验的效果，在实验室里用人工闪电做了实验。结果，经过闪电处理的豌豆比未处理的提早分枝，分枝数目也有增加，开花期也提早10天左右；处理过的玉米抽穗提早了7天；处理过的白菜增产15%～20％，证明闪电对农作物确有一定好处。

虽然这些数字只是从次数不多的试验中分析化验的结果，但是它可以直观地说明，闪电可以增加土壤里的氮肥，对农作物的生长有一定好处。

用电波传递声音：电话

电话已发明120多年了。1875年美国人贝尔在波士顿大学研究多路电报的时候，发现了利用电磁现象传送声音的可能性，终于在1876年发明了电话，随后电话很快就得到了发展。1877年美国出现了第一个电话局。电话比起电报来，具有不需要译码和便于操作等优点，因而成为人类通信工具的又一次变革。电话从发明到现在经历了一系列的历史沿革。

老式电话

电话的改进和发明包括碳粉话筒，人工交换板，拨号盘，自动电话交换机，程控电话交换机，双音多频拨号，语音数字采样等。近年来的新技术包括ISDN，DSL，模拟移动电话和数字移动电话等。

电话机是利用电信号将人们的语言从一地传送到另一地的装置。打电话时，当发话人拿起话机对话筒讲话时，人的声音使空气振动，形成声波，声波作用于话筒。随着声音的大小、高低的变化，电话内的电路产生相应的电流变化，再沿着传输线路传送到对方电话机的听筒，电信号又转为声音振动，作用于人耳，就可以听到发话人的声音了。

送话器和受话器就像人的“嘴巴”和“耳朵”。电话机的种类繁多，在中国就有上百种。有拨盘式、按键式，也有桌式、墙式，有的还带有留言录音系统。

拨盘电话

无绳电话

无绳电话机只是一般电话机的功能扩展。它在普通电话机上增加一个小型无线电收发信机，构成一个座机。手持机与主机之间采用双工无线电话通信。手持机可以随身携带，在座机周围一定的范围内，能够随时随地通过无线信道和有线电话网通信。无绳电话的工作原理是：由固定机和移动机之间的近距离无线电收发讯号来沟通话音，一般采用晶体控制的窄带调频方式工作。固定机的发射频率为40.0～40.5兆赫，接收频率为49.5～50.5兆赫；移动机的收、发频率与此相反。当固定机收到市内电话线路传来的话音后，就由机内的发射机发射到移动机的接收部分，最后由移动机的扬声器传出。移动机的回话同样是由移动机的话筒传入后，经机器的无线发射被固定机接收，再经市话局线路传到对方。最初的无绳电话作用距离只有几十米到几百米。近年来，无绳电话已发展为有较大发射功率的中继台进行转发，移动机可在几千米以至更远范围内收发电话。

可视电话是一种先进的通信方式，在看电视时看到图像是很自然的，但可视电话不能像电视那样，它的画面几乎是静止的。使用可视电话机时，只要按某个按钮，就可以将自己通话时的图像发送出去，也可以将对方的图像接收过来，因此，通话人就可以相互看到对方静止的图像。当然，在发送和接收图像时是不能通话的，但这个时间是非常短的。

可视电话

程控电话机是由程控交换机控制的电话机，是一种双音频的电话机。它比旧的电话机增加了很多功能，可以进行缩位拨号、呼叫等待、三方通话等服务。

移动电话

移动电话机俗称“大哥大”机，是区别有线电话机而言的。它为人们的生活增添了新的色彩，可以随身携带，无论在奔驰的汽车里，还是在没有固定电话的地方，都可以利用移动电话机交谈公务，汇报工作情况。移动电话与市内电话一样，用户直接拨号，就可以自动接通线路，进行通话。现在还可以实现全球通话。

市内街道上的公用电话机大部分是投币电话机，只要投入规定的硬币，就能拨号通话。磁卡电话机是一种新型的公用电话机。将购买的磁卡插入电话机，电话机首先判别磁卡的真伪和是否有效，如磁卡有效，就可以拨打电话。打电话时，电话机上的显示屏将显示相关的信息。磁卡是一种预付款凭证，它可以拨叫市内电话，也可以拨叫国内国际长途电话。

公共投币电话

近年来一些网络电话“话吧”在学校、居民住宅区、工业区等迅速兴起。与几年前兴起的传统“IP公话超市”不同的是，网络电话的运营成本更为低廉，且进入门槛更低，只要一台电脑、一条宽带、几台电话机加上一个计费软件和语音网关就可以操作，网络公司向加盟者或者运营商提供技术支持即可。由于像平常打电话一样方便，网络“话吧”深受学生和务工人员的欢迎。无论您是在公司的局域网内，还是在学校或网吧的防火墙背后，均可使用网络电话，实现电脑—电脑的自如交流，无论身处何地，双方通话时完全免费；也可通过您的电脑拨打全国的固定电话、小灵通和手机，和平时打电话完全一样，输入对方区号和电话号码即可，享受IP电话的最低资费标准。其语音清晰、流畅程度完全超越现有IP电话。通讯技术在进步，我们已经实现了固定电话拨打网络电话。你通话的对方电脑上已安装的在线uni电话客户端振铃声响，对方摘机，此时通话建立。

网络电话示意图

随着社会的发展人们隐私的保护意识也越来越强。电话的保密性问题逐渐显现出来。我们如何能保证自己的电话不被其他人听到，保护个人信息。现在人们研制出了一种保密电话。保密电话如何保密？

人们给电话加密，使之成为被人无法窃听的保密电话。

电话的加密技术是随着电信技术的发展而发展起来的，我们现在使用的电话，分为模拟电话和数字电话两大类。模拟电话是先把语音信号转变为电信号，传到对方后，再把电信号还原成语音信号。电信号有幅度和频率两个主要特性。幅度随发话人的声音的音量大小而变化，频率随发话人的声音的音调高低而变化。如果通话双方秘密约定，以某种特定的规律改变电信号的这两个特性，那就等于给模拟电话加了密。对加密后的电话，合法收听者因有相应的解密器能使声音复原，而窃听者听到的则是乱七八糟的声音。

将电能转化成光能：电灯

老式电灯

无论晚上学习、干家务，还是观看演出、在路上行走都需要电灯的帮助。电灯能把电能变成光，为人们驱走黑暗，是我们用得最多、最普遍的电器。灯是人类征服黑夜的一大发明。19世纪前，人们用油灯、蜡烛等来照明，这虽已冲破黑夜，但仍未能把人类从黑夜的限制中彻底解放出来。只有发电机的诞生，才使人类能用各色各样的电灯使世界大放光明，把黑夜变为白昼，扩大了人类活动的范围，赢得更多时间为社会创造财富。我们都知道“发明大王”爱迪生经过千百次的实验终于研制成功了电灯。电灯就像晚上的太阳一样，把光明从白天延续到了晚上。

我们现在看到的电灯准确地讲应该叫做白炽灯。它是电流把灯丝加热到白炽状态而用来发光的灯。电灯泡外壳用玻璃制成，把灯丝保持在真空，或低压的惰性气体之下，作用是防止灯丝在高温之下氧化。它只有7%～8％的电能变成可见光，90％以上的电能转化成了热，白炽灯的发光效率很低，然而，它却是电灯世界的开路先锋。现代的白炽灯一般寿命为1000小时左右。电灯是根据电产生热的原理制成的。现在的灯泡一般都选用钨丝做灯丝。别看每天生活在电灯带给我们光明中，但我们对电灯的工作原理未必知晓。其工作原理是：电流通过灯丝时产生热量，螺旋状的灯丝不断将热量聚集，使得灯丝的温度达2000℃以上，灯丝在处于白炽状态时，就像烧红了的铁能发光一样而发出光来。灯丝的温度越高，发出的光就越亮。

抬头看看自己家里的电灯，你会发现怎么有的电灯会发黑呢？原来在电灯内发亮的是钨丝，钨丝可以在很高的温度下保持稳定而不会熔化，而是直接升华成气体，等关灯后，温度下降，钨气又重新凝华成固体覆在了灯泡内壁上，因为钨是黑色固体，所以白炽灯用久了以后，钨在灯内壁反复累集，灯泡就会变黑了。

电灯是有寿命的，一般发黑后，寿命也就不长了，黑色的灯泡会影响照明质量，而且也不美观，所以用时间太长发黑的灯泡不如尽快换掉，尤其是显眼位置，需要良好照明的地方要尽早地换，以免灯泡突然坏掉而没有备用灯泡，影响正常的照明和生活，造成各种不便。

电灯的寿命跟灯丝的温度有关，因为温度越高，灯丝就越容易升华（钨直接变成钨气），当钨丝升华到比较细瘦时，通电后就很容易烧断，从而结束了灯的寿命。所以，电灯的功率（瓦数）越大，寿命就越短。

乐寿堂是中国首次安装电灯的地方，慈禧太后是第一个使用电灯的人。1900年八国联军入侵北京后，1903年有位德国商人想发大财，竭力要将西方电气商品打进中国市场，但慈禧反对。外国商人懂得，要想打开中国市场，首先必须让慈禧带头用电灯。于是使用金钱暗地重贿了慈禧的贴身太监李连英。他们趁慈禧外出之机偷偷地将电灯安装上了。待傍晚时，慈禧从外面回来一进乐寿堂就质问：我一走，你们干吗就在我殿内张挂那么多的各色“茄子”？但李连英只是叩头请安，笑而不答。然后恭问：老佛爷，该上灯了吗？慈禧说：上。李迅速将门后的电灯开关打开，即刻五颜六色的灯光大放异彩。慈禧好奇而惊喜地问：这些茄子怎么一下子全亮起来了，究竟是些什么玩艺儿？！李便毕恭毕敬地奏道：这就是电灯，并说明用电灯的方便、干净、明亮、安全，老佛爷用上它可以添福添寿呢！从此慈禧便用电灯，中国各大城市慢慢开始用电了。

导电材料

我们先来讲一下半导体。半导体的导电能力处于导体和绝缘体之间。

可以说，没有半导体，就谈不上现代化。导电能力介于导体和绝缘体之间的一些物质，像硅、锗等，就叫半导体。如果半导体仅仅是在导电性能上与导体、绝缘体有差别，就不会受到人们这么大的重视了。半导体还有许多奇特的性质，使得人们对它另眼相看。

当外界条件变化时，比如当温度发生变化、半导体受到压力或者光照，半导体的导电能力(电阻)就会改变，而且非常灵敏。人们利用这个性质来检测各种微小变化。例如，用对热敏感的半导体做成的温度计，可以测量物体温度0.001℃的变化。

二极管

在人们周围的世界，硅、锗、硒等都是非常有用的半导体。半导体的最大用途就是做成各种电子元件，再组合成各种电路，完成人们交给的工作。由于半导体多是一些物质的晶体，所以这样的电路也叫晶体管电路，无论在收音机、电视机还是各种电子仪器里面，都能看到这样的电路。在没有半导体的时候，人们使用的是电子管，它体积大，耗电多，仪器要做得很大，而使用晶体管电路就大大减小了体积和能量消耗，性能还有很大提高。现在，人们又研究出了半导体集成电路，做成的仪器体积就更小了。利用半导体做成的最常用的电子元件有晶体二极管(简称二极管)和晶体三极管(简称晶体管)。二极管有2个极，可以输入和输出电流，它具有单向导电性，就是说电流很容易从一个极流向另一极(电阻很小)，但反方向流动时就很难(电阻很大)。而对普通的导体来说，无论电流向哪个方向流动电阻都是一样的。利用二极管的这个特点，人们可以制造出整流器把交流电转换成直流电。此外，二极管还有许多种类，除具有单向导电性外还能发挥别的作用。

三极管则有3个极，电流从1个极流入，从另2个极流出。三极管的最大作用就是可以把电流的微小变化放大。从广播电台发射的电磁波传播到收音机时都很微弱，而采用三极管和其他元件做成的放大电路可以把电波放大，这样人们就能清楚地收听了。二极管和三极管要发挥作用，还必须和其他电子元件组成电路才行。而如何组成电路，高效地完成人们交给的任务，就需要对半导体的导电规律进行详细深入的研究。现在，在物理学中已经形成了专门研究半导体性质的领域——半导体物理学，此外还有无线电电子学等也与半导体有着密切的关系。

三极管

现在，半导体已经在人们生产生活的许多方面发挥巨大的作用。从军事上的导弹、雷达、电台，到科研上使用的计算机、各种仪器以及现代生活中的电视机、收音机等，都要依靠半导体才能工作。

因为电阻会随着通电环境的变化而有所变化。人们在一种特殊的环境下发现好多材料都会变成导电能力超强的——超导体。

超导体

在温度和磁场都小于一定数值的条件下，许多导电材料的电阻和体内磁感应强度都突然变为零的性质。具有超导性的物体叫做“超导体”。1911年荷兰物理学家卡曼林-昂尼斯（1853～1926年）首先发现汞在4.173K以下失去电阻的现象，并初次称之为“超导性”。现已知道，许多金属（如锡、铝、铅、钽、铌等）、合金（如铌-锆、铌-钛等）和化合物（如Nb₃Sn、Nb₃Al等）都是可具有超导性的材料。物体从正常态过渡到超导态是一种相变，发生相变时的温度称为此超导体的“转变温度”（或“临界温度”）。现有的材料仅在很低的温度环境下才具有超导性，其中以Nb₃Ge薄膜的转变温度最高（23.2K）。

卡莫林发现的超导

1933年迈斯纳和奥森费耳德又共同发现金属处在超导态时其体内磁感应强度为零，即能把原来在其体内的磁场排挤出去,这个现象称之为迈斯纳效应。当磁场达到一定强度时，超导性就将破坏，这个磁场限值称为“临界磁场”。目前所发现的超导体有2类。第一类只有一个临界磁场（约几百高斯）；第二类超导体有下临界磁场Hc₁和上临界磁场Hc₂。当外磁场达到Hc1时，第二类超导体内出现正常态和超导态相互混合的状态，只有当磁场增大到Hc₂时，其体内的混合状态消失而转化为正常导体。现在已制备上临界磁场很高的超导材料（如Nb₃Sn的Hc₂达22特斯拉，Nb₃Al0.75Ge0.25的Hc₂达30特斯拉），用以制造产生强磁场的超导磁体。超导体的应用目前正逐步发展为先进技术，用在加速器、发电机、电缆、贮能器和交通运输设备直到计算机方面。1962年发现了超导隧道效应即约瑟夫逊效应，并已用于制造高精度的磁强计、电压标准、微波探测器等。近些年来，中国、美国、日本在提高超导材料的转变温度上都取得了很大的进展。1987年研制出YBaCuO体材料转变温度达到90～100K，零电阻温度达78K，也就是说过去必须在昂贵的液氦温度下才能获得超导性，而现在已能在廉价的液氮温度下获得。1988年又研制出CaSrBiCuO体和CaSrTlCuO体，使转变温度提高到114～115K。近两三年来，超导方面的工作正在突飞猛进。

超导体主要有2个基本特性，即：①零电阻性或完全导电性；②完全抗磁性。因此，它在科研、生产的各个领域都有着广泛的应用。总体来说可分为2大类：①用于强电，用超导体制成大尺度的超导器件，如超导磁铁、电机、电缆等，用于发电、输电、贮能和交通运输等方面。②用于弱电，用超导体制成小尺度的器件，用于精密仪器仪表、计算机等方面。

在这个追求速度和效益的时代，人们越来越对一种现象感到不可容忍：电流在输送过程中时约有30%电能转化为无用的热量。

导体尽管容易让电流通过，但导体仍有一些电阻，而超导体是不存在这个问题的唯一一类材料。超导体是这样一种物质：在低温条件下，它完全没有电阻，电流通过时不会有任何损失。超导体具有许多特殊的性质，当然最主要的是零电阻。人们做过实验,让电流在超导体制成的圆环中流动，电流可以流动1年而没有损失。人们通过对超导理论的研究，得到了对超导现象的深入认识。人们发现在超导体中，一些电子形成了特殊的电子对，因而使物体显示出超导性。

超导体可以有非常大的用途，这也是各国科学家努力研究超导的重要原因。用超导体输送电能可以大大减少消耗，用高温超导体材料加工的电缆，其载流能力是常用铜丝的1200倍；利用超导体可以形成强大的磁场，可以用来制造粒子加速器等，如用于磁悬浮列车，列车时速可达500千米；利用超导体对温度非常敏感的性质可以制造灵敏的温度探测器。超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。

经过70多年的发展，超导材料达到的最高临界温度只有23.2K，没有脱开液氦温度，而液氦价格昂贵，冷却效率低，很难广泛使用，目前超导体只在一些尖端的设备(如粒子加速器)上得到应用。

要让超导体得到广泛应用就首先要有容易使用的超导体。人们现在正不断地寻找新的超导体，其主要方向就是寻找能在较高温度下存在的超导体材料，即“高温超导体”(这里的高温是相对而言的)。20世纪80年代末，世界上掀起了寻找高温超导体的热潮，1986年出现氧化物超导体，其临界温度超过了125K，在这个温度区上，超导体可以用廉价而丰富的液氮来冷却。此后，科学家们不懈努力，在高压状态下把临界温度提高到了164K(-109℃)。1998年中国科学家研制成功了第一根铋系高温超导输电电缆。这一成功极大地推进了中国高温超导技术的实用化进程。高温超导材料的用途非常广阔，大致可分为3类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。大电流应用即前述的超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。

有些材料对通电环境中的某中因素极为敏感。我们也敏锐地发现它们的这一特性。在日常生活中利用这个性质来为我们服务。

敏感电阻器常识：

（1）热敏电阻——

是一种对温度极为敏感的电阻器，分为正温度系数和负温度系数电阻器。选用时不仅要注意其额定功率、最大工作电压、标称阻值,更要注意最高工作温度和电阻温度系数等参数,并注意阻值变化方向。让我们举个例子看看人们如何利用这种电阻。让房间里装了空气自动调节器，室温就能经常保持在20℃左右，使人感到舒服。为什么空气自动调节器能够自动调节室温呢?这是一种叫做热敏电阻的功劳。热敏电阻对温度的变化有着极其灵敏的反应。要是温度升高或降低一度，它的电阻就增加或减少5％左右。电阻增加，电子就不容易通过，电流就减弱；反过来，电流就增强。这种时弱时强的电流可以自动地减慢或加快空气调节器的工作，于是室内就能一直保持着使人感到舒适的温度。

（2）光敏电阻——

　光敏电阻器（photovaristor）又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱则电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

光控路灯

通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。

自动控制的路灯也是利用了这种电阻，只要光线不够，路灯就会自动打开。光控大门也是利用了电阻的这一性质。

（3）压敏电阻——

是对电压变化很敏感的非线性电阻器。当电阻器上的电压在标称值内时,电阻器上的阻值呈无穷大状态；当电压略高于标称电压时,其阻值很快下降,使电阻器处于导通状态；当电压减小到标称电压以下时,其阻值又开始增加。

压敏电阻可分为无极性(对称型)和有极性(非对称型)压敏电阻。选用时,压敏电阻器的标称电压值应是加在压敏电阻器两端电压的2～2.5倍。另需注意压敏电阻的温度系数。

（4）湿敏电阻——

是对湿度变化非常敏感的电阻器,能在各种湿度环境中使用。它是将湿度转换成电信号的换能器件。选用时应根据不同类型号的不同特点以及湿敏电阻器的精度、湿度系数、响应速度、湿度量程等进行选用。这种电阻在现代化农业中广泛应用。电阻可以灵敏地接受到环境中的湿度、温度、水分等信息，然后转换成电子信号，农民们可以根据这些信息控制农业生产。

（5）气敏电阻——

在现代社会的生产和生活中，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测和控制。气敏电阻传感器就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。

它的特点是对空气中某种气体的增加或减少特别敏感。根据这个特点，人们把它制成了各种专门用途的电子鼻。例如检查煤气的电子鼻，只要周围空气里有一丁点儿煤气的成分，它就会向人们发出警告，防止煤气中毒。它甚至能够检查出埋在地下半米左右深处的煤气管道是不是漏气。依靠它，人们能够及时发现管道的漏洞，防止浪费，消除火灾和中毒事故。

我们日常生活中看到的好多电器都是对电阻的利用。电子琴就是利用了电阻。

电子琴既可以演奏不同的曲调，又可以发出强弱不同的声音，还可以模仿二胡、笛子、钢琴、黑管以及锣鼓等不同乐器的声音。那么，电子琴的发音原理是怎样的？

大家知道，当物体振动时，能够发出声音。振动的频率不同，声音的音调就不同。在电子琴里，虽然没有振动的弦、簧、管等物体，却有许多特殊的电装置，每个电装置一工作，就会使喇叭发出一定频率的声音。当按动某个琴键时，就会使与它对应的电装置工作，从而使喇叭发出某种音调的声音。

电子琴的音量控制器，实质上是一个可调电阻器。当转动音量控制器旋扭时，可调电阻器的电阻就随着变化。电阻大小的变化，又会引起喇叭声音强弱的变化。所以转动音量控制旋扭时，电子琴发声的响度就随之变化。

当乐器发声时，除了发出某一频率的声音——基音以外，还会发出响度较小、频率加倍的辅助音——谐音。我们听到的乐器的声音是它发出的基音和谐音混合而成的。不同的乐器发出同一基音时，不仅谐音的数目不同，而且各谐音的响度也不同，因而使不同的乐器具有不同的音品。在电子琴里，除了有与基音对应的电装置外，还有与许多与谐音对应的电装置，适当地选择不同的谐音电装置，就可以模仿出不同乐器的声音来。

将电转化成热能：各种电热炊具

用电来做饭烧菜的炊具，统称为电热炊具。电热炊具的种类很多，如电饭煲、电磁灶、微波炉、电烤箱等。

电饭煲是十分普通的炊具。它有2层装置：①搪瓷做的外壳，②不锈钢或铝制的锅体。锅体内的电热盘是加热的装置。电饭煲还装有磁性开关和恒温装置。在饭做好后，磁性开关将电源切断。恒温装置是利用2个膨胀系数不同的金属片做成的。当温度升高时，金属片的伸长量不同，使触点分开断电;而当温度降低时，金属片恢复原状，使触点闭合通电加热。电饭煲使用安全并且方便简单。如做饭时，只要淘好米，加好水、盖好盖，按下控制按钮，就能自动将饭做好，并能保持一定的温度。电饭煲常见的有3种类型：普通保温型、电子保温型和压力型。

电饭煲原理图

电磁灶是一种利用电磁感应原理进行加热的炉灶。它的主要部件是金属导线缠绕的线圈。当交流电通过这个线圈时，会产生交变的电磁场。磁力线穿过锅体时，锅体的底部受到感应，会产生大量的强涡流。涡流受材料电阻的阻碍时，放出大量的热量，使饭菜煮熟。电磁灶的热量传递的损耗较低，没有明火，热利用效率可达80%，并且热量均匀，因此烹调速度快，节省能源。20世纪80年代以后，电磁灶成为成熟的家电产品，功能不断增多。最新产品可以用电脑控制、自动报时显示、数字式温度显示等。

电磁炉原理

微波炉是近年来兴起的新型炊具。它充分利用了微波能量大的特点。微波是指波长为1毫米～1米、频率在300MHz～300GHz的电磁波，除具有一般电磁波的共性外，还有自身的特性：如微波遇到一些金属导体就会反射，导体不吸取其能量；微波在玻璃、塑料中能自由传递，并且不消耗能量；微波遇到含有水分的淀粉、蔬菜、肉类等物质，不仅不能穿透这些物质，而且它的能量还要被吸收掉。微波炉中的磁控管是微波炉的加热部件。它在接通电源后，会产生微波，使食物中的水分子，按照磁场方向首尾一致排列，并随着磁场方向的变化，水分子频繁快速运动，就会产生大量的热量，将食物煮熟。微波烹调靠微波深入食物内部，能全面均匀地加热，烹调的能量高、速度快；而且微波烹调没有油烟，能保持食物加工的天然色香味，对维生素的破坏也较小。

让静电为我们服务

导体受带电体影响使其表面不同部分出现正负电荷的现象称为静电感应。在带电体产生的外电场作用下，导体内的自由电子定向移动，靠近带电体的导体一端产生异种电荷，远离带电体的一端带上同种电荷，因带电体离导体中相反电荷的距离近，吸引力大于距离远的相同电荷的排斥力，所以就要把附近的细小物体吸过来。利用静电感应现象可以使导体带电，比如用塑料梳子使劲在头发上蹭几下，梳子就能吸引灰尘等细小物体，这就是静电感应的表现。

人们现在可以利用静电感应来为人类服务。火力发电厂燃烧燃料时会排放出大量细小的烟尘污染空气，在排放前让烟尘通过静电场，烟尘就会被截留下来。这种方法叫静电除尘。在纺织工业中，可以利用静电植绒来生产新型纺织物。它是利用静电使绒毛按一定方向排列后黏着在纺织物表面，可以使纺织物既保暖，又让人感到很舒适。

静电利用-复印机

静电复印技术可以又快又好地复制各种文件、图画，它也是利用了静电感应。在复印时，通过一系列装置使纸上要印上字的地方带上静电，再把墨粉吸引到有静电的地方，就产生了与原稿相同的文字、图案。复印机就是利用静电复印的一个很好例子。复印机在日常生活中已应用得相当普遍，无论照片、证书、票据或工程设计图纸，都可以在复印机中复印出来。

复印机是根据静电正、负电荷互相吸引的原理制成的。复印可分直接复印和间接复印两种。直接复印时，先让复印纸按图案文字颜色深浅，分别带上相应静电电荷，深处电荷密，浅处电荷稀，形成一张与图文颜色深浅相对应的静电图像。然后，让带有异性电荷的墨粉直接被静电图像吸引，深的地方吸引的墨粉多，浅的地方墨粉少，再通过热压，将墨粉黏附在复印纸上，一份复印件就出来了。

还有一种更加方便的间接复印法，是在由硒材料制成的“硒鼓”上，先形成静电图像，让墨粉吸附在上面，再转印到复印纸上去，形成复印件。采用这种复印方法，对复印纸没有特别要求，即使是普通纸张也能复印出来。

电能转化成动能：电动机

人们一直在寻找一种方法，把电力转化成动能，完成人力畜力所不能完成的工作。电动机就是基于这样的愿望发明的。现在人们把美国科学家约瑟夫·亨利看成是电动机的创始人。1799年亨利出生在纽约州的奥尔巴尼，由于家境贫困，10岁时就在乡村的小店里做伙计。苦难的童年，只有他养的那只小白兔与他朝夕相处，给他带来一点欢乐。说来也真有趣，竟是这只小白免引导他走上了一条新生活的道路。一天，小白兔从笼子里跑出来了，亨利尾随后面紧追不舍，一直追进了教堂才将兔子逮住。这时他才注意到教堂里悄然无声，四周色彩斑斓的壁画和大量的藏书使他觉得这里是多么的神圣和肃穆，从此他经常到这里来读书。有一天他读到一本１８０８年伦敦出版的格利戈里关于《实验科学、天文学和化学讲集》，扉页上写道:向空中扔一块石头或射出一枝箭，为什么它不朝着你给予的方向一直向前飞去?这个问题一下于把亨利给迷住了。他读完了这本书后就下决心献身于科学事业。

亨利实验用的电磁铁

亨利在电学上有杰出的贡献是他发明了继电器电报的雏形，比法拉第更早发现了电磁感应现象。但却没有及时去申请专利。

只有对电动机的设想使他荣获了发明家的殊荣，1831年７月的《西门子》杂志上阐述了有关电动机的原理和构想，他说:“这一原理——或者经过较大幅度地修改——应用于某种有益的用途，不是不可能的。”显然，话是太谨慎了。电动机具有十分广泛的用途，开拓了电气化时代的新纪元。

1838年某天，俄罗斯中部涅瓦河的一个码头上，挤着不少人。有的人在搓手，有的人在呵气，这么冷的天气，寒风里干什么?来了，来了！人群中有人喊。大家朝上流方向眺望，只见灰蒙蒙的寒气之中，出现了一个黑影，原来是一艘机动船在慢慢地驶来。船渐渐近了，大家看得清晰，船上坐着１２位旅客，船尾的机舱边站着一个胖子，兴奋得满脸通红，还不住地向码头上的人群招手示意。此人就是船主雅可比。“这船有什么好看?人群里有人问。“看，这小船上没有烟囱，不烧油、不烧煤，用电力来开动的呢!啊!这条由雅可比创制的不起眼的机动船是用４０部马达和３２０个大电池来驱动的，是世界上第一艘电机船。”

曾在柏林大学读过书的雅可比生于德国，成为彼得堡科学院院士。他研究了当时许多人发明的玩具电动机，认为这种电动机之所以没有实用价值是因为天然磁铁的磁场强度太小了。于是利用电磁铁产生出强得多的磁场，从而使电动机向实用迈开了一大步。由于电动机不需要燃烧，不会产生污染，又有容易控制的特点，所以它出现立即显示出巨大的生命力。

英国技师大卫制成了电动双人座车，形式各异的电动机层出不穷。

两人电动车

美国铁匠托马斯和法国的吉弗罗兰也先后申请了电动机专利，但这些电动机都必须用伏打电池来供电，寿命不过几年，这种电池供给的电流很小，又不耐用，使用起来显然是得不偿失，怎么办呢?这个看起来十分困难的问题却在一次偶然事件中获得了圆满的解决。

1873年维也纳国际博览会开幕了。当时欧洲各国的科技界和工商界都将最新的发明样品送去展览。数以千计的人从欧洲大陆各地赶到这“音乐之城”参观这个科学、工业、艺术和建筑的最新奇迹。而这次奇迹中的奇迹是展览会里发生了一次偶然事故。

奇迹出现了，一位工作人员因为疏忽把2台发电机连接了起来。这时一台发电机发出的电流，第二台发电机的电枢竟在这股电流的驱动下迅速地旋转起来。在场的工程师们惊喜若狂，这许多年来连做梦都在觅找的廉价能竟这样令人难以置信地找到，只要用发电机提供的电力，就能使电动机运行起来。伏打电池现在可退居二线了。工程师们欣喜之余，立即动手搭建了一个新的表演厅，用一个小型的人工瀑布来驱动水力发电机，发电机发出的电流来带动电动机，电动机又带动小水泵来喷射泉水。

有2个物理原理为电动机的运转奠定了基础。第一个原理是电磁感应定律，它是由英国科学家和发明家迈克尔·法拉第于1831年发现的。其内容是：如果导体穿过磁场，或改变穿过静止导电闭合回路的磁场强度，导体内将产生感应电流。第二个原理与此相对，指的是电磁的反作用，它是法国物理学家安德尔·玛利亚·安培于1820年观察到的。

电动机工作原理

所以，如果将带电导体（如一段铜线）放置在磁场中，它将受到力的作用。将导体缠绕许多圈，每一圈都位置适当且导体内有电流通过，这时，产生的力会使线圈旋转。线圈旋转时，电动机的轴也将随之旋转。用电池或电源给电动机通电就会使轴开始旋转，有的电动机由直流电源（如电池）供电，有的电动机由交流电源供电。虽然电动机有多种设计方法，但原理是相同的。

电动机是把电能转换成机械能的设备，它是利用通电线圈在磁场中受力转动的现象制成，分布于各个用户处，电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。电动机主要由定子与转子组成。通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。

电动机的工作方式不外乎与磁铁和磁性相关：电动机使用磁铁产生运动。如果你曾经玩过磁铁的话，就知道所有磁铁都具有以下基本法则：同性相吸，异性相斥。因此，如果有两根磁铁，并且每根的两端分别标有“北”和“南”，则一根磁铁的北极将会吸住另一根磁铁的南极。反之，一根磁铁的北极将会排斥另一根磁铁的北极（对于南极，情况与此类似）。在电动机的内部，就是这些吸引力和排斥力产生了旋转运动。

电动机

你可以发现这半周的运动不过是由于磁铁自然地相互吸引和排斥产生的。制造电动机的关键是要更进一步，使半周运动在完成的那一瞬间，电磁铁的磁场发生翻转。这种翻转可以使电磁铁完成另一个半周运动。更改电子在电线中的流动方向（让电池掉头就可以实现此目的）便可以翻转磁场。如果能够在完成每个半周运动时的适当时间精确地翻转电磁铁的磁场，则电动机就可以自由旋转。

电动机无所不在！在房内四周所见到的机械运动几乎都是由AC（交流）或DC（直流）电动机产生的。环顾一下你的四周，四处都有电动机在工作。厨房中的排气扇就是在利用电能带动扇页的旋转。电冰箱有两到三个电动机在工作，一个供压缩机用，一个供冰箱内部风扇用，还有一个供制冰机用。

电在医学上的应用

前面我们在无所不在的生物电中讲过，我们体内也存在这大量的电荷。医学中就是利用这一点来诊断病情。比如心电图就是利用心脏电位的变化来判断一个人的身体状况。心脏周围的组织和体液都能导电，因此可将人体看成为一个具有长、宽、厚三度空间的容积导体。心脏好比电源，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表。在体表很多点之间存在着电位差，也有很多点彼此之间无电位差是等电的。心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着生物电的变化，这些生物电的变化称为心电。

心电图

最近，在美国的医院里产生了一种新的仪器。用它来检查恶性黑色素瘤是一种非常有效的办法。如果要检查你背上的一块黑斑究竟会不会导致癌症，现在的医生只能借助于两种很不完美的工具——肉眼和手术刀。后者会让人感到很痛，检查费用也不便宜，前者不但很容易出错，而且不能检查得非常准确。近年来，黑色素瘤——皮肤癌里最致命的一种,它的发病率以平均每年4%的速度递增，这与该疾病难以辨认是不无关系的。有种仪器能够在常规检查的过程中发现黑色素瘤，将能有效地抑制皮肤癌的发病率。

这种设备名叫MelaFind，它利用了纤维光学技术（这种技术以发射和俘获光波为基础）把探针放在身体的可疑病变区，它就会释放出10个光脉冲，每个脉冲都具有不同的波长。光子与正常组织和癌变组织会发生不同的相互作用，这些不同的吸收和散射模式将会以图像的方式表现出来。图像经软件分析后，获得的数据会以无线方式传送到医生办公室的工作台上，并从那里传回到MelaFind的制造商电子光学科学公司，该公司则将采用他们自己的算法和数据库来对图片进行处理，从而判断出该病变是良性的还是恶性的。诊断结果会在最初成像之后2分钟内发给医生。