电工基础摘要Word文档格式.docx
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1733年迪费发现绝缘起来的金属也可摩擦起电，因此他得出所有物体都可摩擦起电的结论。
他把玻璃上产生的电叫做“玻璃的”，琥珀上产生的电与树脂产生的相同，叫做“树脂的”。
他得到：
带相同电的物体互相排斥；
带不同电的物体彼此吸引。
1745年，荷兰莱顿的穆申布鲁克发明了能保存电的莱顿瓶。
莱顿瓶的发明为电的进一步研究提供了条件，它对于电知识的传播起到了重要的作用。
差不多同时，美国的富兰克林做了许多有意义的工作，使得人们对电的认识更加丰富。
1747年他根据实验提出：
在正常条件下电是以一定的量存在于所有物质中的一种元素；
电跟流体一样，摩擦的作用可以使它从一物体转移到另一物体，但不能创造；
任何孤立物体的电总量是不变的，这就是通常所说的电荷守恒定律。
他把摩擦时物体获得的电的多余部分叫做带正电，物体失去电而不足的部分叫做带负电。
严格地说，这种关于电的一元流体理论在今天看来并不正确，但他所使用的正电和负电的术语至今仍被采用，他还观察到导体的尖端更易于放电等。
早在1749年，他就注意到雷闪与放电有许多相同之处，1752年他通过在雷雨天气将风筝放入云层，来进行雷击实验，证明了雷闪就是放电现象。
在这个实验中最幸运的是富兰克林居然没有被电死，因为这是一个危险的实验，后来有人重复这种实验时遭电击身亡。
富兰克林还建议用避雷针来防护建筑物免遭雷击，1745年首先由狄维斯实现，这大概是电的第一个实际应用。
18世纪后期开始了电荷相互作用的定量研究。
1776年，普里斯特利发现带电金属容器内表面没有电荷，猜测电力与万有引力有相似的规律。
1769年，鲁宾孙通过作用在一个小球上电力和重力平衡的实验，第一次直接测定了两个电荷相互作用力与距离二次方成反比。
1773年，卡文迪什推算出电力与距离的二次方成反比，他的这一实验是近代精确验证电力定律的雏形。
1785年，库仑设计了精巧的扭秤实验，直接测定了两个静止点电荷的相互作用力与它们之间的距离二次方成反比，与它们的电量乘积成正比。
库仑的实验得到了世界的公认，从此电学的研究开始进入科学行列。
1811年泊松把早先力学中拉普拉斯在万有引力定律基础上发展起来的势论用于静电，发展了静电学的解析理论。
18世纪后期电学的另一个重要的发展是意大利物理学家伏打发明了电池，在这之前，电学实验只能用摩擦起电机的莱顿瓶进行，而它们只能提供短暂的电流。
1780年，意大利的解剖学家伽伐尼偶然观察到与金属相接触的蛙腿发生抽动。
他进一步的实验发现，若用两种金属分别接触蛙腿的筋腱和肌肉，则当两种金属相碰时，蛙腿也会发生抽动。
1792年，伏打对此进行了仔细研究之后，认为蛙腿的抽动是一种对电流的灵敏反应。
电流是两种不同金属插在一定的溶液内并构成回路时产生的，而肌肉提供了这种溶液。
基于这一思想，1799年，他制造了第一个能产生持续电流的化学电池，其装置为一系列按同样顺序叠起来的银片、锌片和用盐水浸泡过的硬纸板组成的柱体，叫做伏打电堆。
此后，各种化学电源蓬勃发展起来。
1822年塞贝克进一步发现，将铜线和一根别种金属（铋）线连成回路，并维持两个接头的不同温度，也可获得微弱而持续的电流，这就是热电效应。
化学电源发明后，很快发现利用它可以作出许多不寻常的事情。
1800年卡莱尔和尼科尔森用低压电流分解水；
同年里特成功地从水的电解中搜集了两种气体，并从硫酸铜溶液中电解出金属铜；
1807年，戴维利用庞大的电池组先后电解得到钾、钠、钙、镁等金属；
1811年他用2000个电池组成的电池组制成了碳极电弧；
从19世纪50年代起它成为灯塔、剧院等场所使用的强烈光电源，直到70年代才逐渐被爱迪生发明的白炽灯所代替。
此外伏打电池也促进了电镀的发展，电镀是1839年由西门子等人发明的。
虽然早在1750年富兰克林已经观察到莱顿瓶放电可使钢针磁化，甚至更早在1640年，已有人观察到闪电使罗盘的磁针旋转，但到19世纪初，科学界仍普遍认为电和磁是两种独立的作用。
与这种传统观念相反，丹麦的自然哲学家奥斯特接受了德国哲学家康德和谢林关于自然力统一的哲学思想，坚信电与磁之间有着某种联系。
经过多年的研究，他终于在1820年发现电流的磁效应：
当电流通过导线时，引起导线近旁的磁针偏转。
电流磁效应的发现开拓了电学研究的新纪元。
奥斯特的发现首先引起法国物理学家的注意，同年即取得一些重要成果，如安培关于载流螺线管与磁铁等效性的实验；
阿喇戈关于钢和铁在电流作用下的磁化现象；
毕奥和萨伐尔关于长直载流导线对磁极作用力的实验；
此外安培还进一步做了一系列电流相互作用的精巧实验。
由这些实验分析得到的电流元之间相互作用力的规律，是认识电流产生磁场以及磁场对电流作用的基础。
电流磁效应的发现打开了电应用的新领域。
1825年斯特金发明电磁铁，为电的广泛应用创造了条件。
1833年高斯和韦伯制造了第一台简陋的单线电报；
1837年惠斯通和莫尔斯分别独立发明了电报机，莫尔斯还发明了一套电码，利用他所制造的电报机可通过在移动的纸条上打上点和划来传递信息。
1855年汤姆孙（即开尔文）解决了水下电缆信号输送速度慢的问题，1866年按照汤姆孙设计的大西洋电缆铺设成功。
1854年，法国电报家布尔瑟提出用电来传送声音的设想，但未变成现实；
后来，赖斯于1861年实验成功，但未引起重视。
1861年贝尔发明了电话，作为收话机，它仍用于现代，而其发话机则被爱迪生的发明的碳发话机以及休士的发明的传声器所改进。
电流磁效应发现不久，几种不同类型的检流计设计制成，为欧姆发现电路定律提供了条件。
1826年，受到傅里叶关于固体中热传导理论的启发，欧姆认为电的传导和热的传导很相似，电源的作用好像热传导中的温差一样。
为了确定电路定律，开始他用伏打电堆作电源进行实验，由于当时的伏打电堆性能很不稳定，实验没有成功；
后来他改用两个接触点温度恒定因而高度稳定的热电动势做实验，得到电路中的电流强度与他所谓的电源的“验电力”成正比，比例系数为电路的电阻。
由于当时的能量守恒定律尚未确立，验电力的概念是含混的，直到1848年基尔霍夫从能量的角度考查，才橙清了电位差、电动势、电场强度等概念，使得欧姆理论与静电学概念协调起来。
在此基础上，基尔霍夫解决了分支电路问题。
杰出的英国物理学家法拉第从事电磁现象的实验研究，对电磁学的发展作出极重要的贡献，其中最重要的贡献是1831年发现电磁感应现象。
紧接着他做了许多实验确定电磁感应的规律，他发现当闭合线圈中的磁通量发生变化时，线圈中就产生感应电动势，感应电动势的大小取决于磁通量随时间的变化率。
后来，楞次于1834年给出感应电流方向的描述，而诺埃曼概括了他们的结果给出感应电动势的数学公式。
法拉第在电磁感应的基础上制出了第一台发电机。
此外，他把电现象和其他现象联系起来广泛进行研究，在1833年成功地证明了摩擦起电和伏打电池产生的电相同，1834年发现电解定律，1845年发现磁光效应，并解释了物质的顺磁性和抗磁性，他还详细研究了极化现象和静电感应现象，并首次用实验证明了电荷守恒定律。
电磁感应的发现为能源的开发和广泛利用开创了崭新的前景。
1866年西门子发明了可供实用的自激发电机；
19世纪末实现了电能的远距离输送；
电动机在生产和交通运输中得到广泛使用，从而极大地改变了工业生产的面貌。
对于电磁现象的广泛研究使法拉第逐渐形成了他特有的“场”的观念。
他认为：
力线是物质的，它弥漫在全部空间，并把异号电荷和相异磁板分别连结起来；
电力和磁力不是通过空虚空间的超距作用，而
是通过电力线和磁力线来传递的，它们是认识电磁现象必不可少的组成部分，甚至它们比产生或“汇集”力线的“源”更富有研究的价值。
法拉第的丰硕的实验研究成果以及他的新颖的场的观念，为电磁现象的统一理论准备了条件。
诺埃曼、韦伯等物理学家对电磁现象的认识曾有过不少重要贡献，但他们从超距作用观点出发，概括库仑以来已有的全部电学知识，在建立统一理论方面并未取得成功。
这一工作在19世纪60年代由卓越的英国物理学家麦克斯韦完成。
麦克斯韦认为变化的磁场在其周围的空间激发涡旋电场；
变化的电场引起媒质电位移的变化，电位移的变化与电流一样在周围的空间激发涡旋磁场。
麦克斯韦明确地用数学公式把它们表示出来，从而得到了电磁场的普遍方程组——麦克斯韦方程组。
法拉第的力线思想以及电磁作用传递的思想在其中得到了充分的体现。
麦克斯韦进而根据他的方程组，得出电磁作用以波的形式传播，电磁波在真空中的传播速度等于电量的电磁单位与静电单位的比值，其值与光在真空中传播的速度相同，由此麦克斯韦预言光也是一种电磁波。
1888年，赫兹根据电容器放电的振荡性质，设计制作了电磁波源和电磁波检测器，通过实验检测到电磁波，测定了电磁波的波速，并观察到电磁波与光波一样，具有偏振性质，能够反射、折射和聚焦。
从此麦克斯韦的理论逐渐为人们所接受。
麦克斯韦电磁理论通过赫兹电磁波实验的证实，开辟了一个全新的领域——电磁波的应用和研究。
1895年，俄国的波波夫和意大利的马可尼分别实现了无线电信号的传送。
后来马可尼将赫兹的振子改进为竖直的天线；
德国的布劳恩进一步将发射器分为两个振藕线路，为扩大信号传递范围创造了条件。
1901年马可尼第一次建立了横跨大西洋的无线电联系。
电子管的发明及其在线路中的应用，使得电磁波的发射和接收都成为易事，推动了无线电技术的发展，极大地改变了人类的生活。
1896年洛伦兹提出的电子论，将麦克斯韦方程组应用到微观领域，并把物质的电磁性质归结为原子中电子的效应。
这样不仅可以解释物质的极化、磁化、导电等现象以及物质对光的吸收、散射和色散现象；
而且还成功地说明了关于光谱在磁场中分裂的正常塞曼效应；
此外，洛伦兹还根据电子论导出了关于运动介质中的光速公式，把麦克斯韦理论向前推进了一步。
在法拉第、麦克斯韦和洛伦兹的理论体系中，假定了有一种特殊媒质“以太”存在，它是电磁波的荷载者，只有在以太参照系中，真空中光速才严格地与方向无关，麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式也只在以太参照系中才严格成立。
这意味着电磁规律不符合相对性原理。
关于这方面问题的进一步研究，导致了爱因斯坦在1905年建立了狭义相对论，它改变了原来的观点，认定狭义相对论是物理学的一个基本原理，它否定了以太参照系的存在并修改了惯性参照系之间的时空变换关系，使得麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式有可能在所有惯性参照系中都成立。
狭义相对论的建立不仅发展了电磁理论，并且对以后理论物理的发展具有巨大的作用。
电学的基本内容
电学研究的内容主要包括静电、静磁、电磁场、电路、电磁效应和电磁测量。
静电学是研究静止电荷产生电场及电场对电荷作用规律的学科。
电荷只有两种，称为正电和负电。
同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。
电荷遵从电荷守恒定律。
电荷可以从一个物体转移到另一个物体，任何物理过程中电荷的代数和保持不变。
所谓带电，不过是正负电荷的分离或转移；
所谓电荷消失，不过是正负电荷的中和。
静止电荷之间相互作用力符合库仑定律：
在真空中两个静止点电荷之间作用力的大小与它们的乘积成正比，与它们之间的距离的平方成反比；
作用力的方向沿着它们之间的联线，同号电荷相斥，异号电荷相吸。
电荷之间相互作用力是通过电荷产生的电场相互作用的。
电荷产生的电场用电场强度（简称场强）来描述。
空间某一点的电场强度用正的单位试探电荷在该点所受的电场力来定义，电场强度遵从场强叠加原理。
通常的物质，按其导电性能的不同可分两种情况：
导体和绝缘体。
导体体内存在可运动的自由电荷；
绝缘体又称为电介质，体内只有束缚电荷。
在电场的作用下，导体内的自由电荷将产生移动。
当导体的成分和温度均匀时，达到静电平衡的条件是导体内部的电场强度处处等于零。
根据这一条件，可导出导体静电平衡的若干性质。
静磁学是研究电流稳恒时产生磁场以及磁场对电流作用力的学科。
电荷的定向流动形成电流。
电流之间存在磁的相互作用，这种磁相互作用是通过磁场传递的，即电流在其周围的空间产生磁场，磁场对放置其中的电流施以作用力。
电流产生的磁场用磁感应强度描述。
电磁场是研究随时间变化下的电磁现象和规律的学科。
当穿过闭台导体线圈的磁通量发生变化时，线圈上产生感应电流。
感应电流的方向可由楞次定律确定。
闭合线圈中的感应电流是感应电动势推动的结果，感应电动势遵从法拉第定律：
闭台线圈上的感应电动势的大小总是与穿过线圈的磁通量的时间变化率成正比。
麦克斯韦方程组描述了电磁场普遍遵从的规律。
它同物质的介质方程、洛仑兹力公式以及电荷守恒定律结合起来，原则上可以解决各种宏观电动力学问题。
根据麦克斯韦方程组导出的一个重要结果是存在电磁波，变化的电磁场以电磁波的形式传播，电磁波在真空中的传播速度等于光速。
这也说明光也是电磁波的一种，因此光的波动理论纳入了电磁理论的范畴。
电路包括直流电路和交流电路的研究，是电学的组成部分。
直流电路研究电流稳恒条件下的电路定律和性质；
交流电路研究电流周期性变化条件下的电路定律和性质。
直流电路由导体（或导线）连结而成，导体有一定的电阻。
稳恒条件下电流不随时间变化，电场亦不随时间变化。
根据稳恒时电场的性质、导电基本规律和电动势概念，可导出直流电路的各个实用定律：
欧姆定律、基尔霍夫电路定律，以及一些解决复杂电路的有效而简便的定理：
等效电源定理、叠加定理、倒易定理、对偶定理等，这些实用定律和定理构成电路计算的理论基础。
交流电路比直流电路复杂得多，电流随时间的变化引起空间电场和磁场的变化，因此存在电磁感应和位移电流，存在电磁波。
电磁效应物质中的电效应是电学与其他物理学科（甚至非物理的学科）之间联系的纽带。
物质中的电效应种类繁多，有许多已成为或正逐渐发展为专门的研究领域。
比如：
电致伸缩、压电效应（机械压力在电介质晶体上产生的电性和电极性）和逆压电效应、塞贝克效应、珀耳帖效应（两种不同金属或半导体接头处，当电流沿某个方向通过时放出热量，而电流反向时则吸收热量）、汤姆孙效应（一金属导体或半导体中维持温度梯度，当电流沿某方向通过时放出热量，而电流反向时则吸收热量）、热敏电阻（半导体材料中电阻随温度灵敏变化）、光敏电阻（半导体材料中电阻随光照灵敏变化）、光生伏打效应（半导体材料因光照产生电位差），等等。
对于各种电效应的研究有助于了解物质的结构以及物质中发生的基本过程，此外在技术上，它们也是实现能量转换和非电量电测法的基础。
电磁测量也是电学的组成部分。
测量技术的发展与学科的理论发展有着密切的联系，理论的发展推动了测量技术的改进；
测量技术的改善在新的基础上验证理论，并促成新理论的发现。
电磁测量包括所有电磁学量的测量，以及有关的其他量（交流电的频率、相角等）的测量。
利用电磁学原理已经设计制作出各种专用仪表（安培计，伏特计、欧姆计、磁场计等）和测量电路，它们可满足对各种电磁学量的测量。
电磁测量的另一个重要的方面是非电量（长度、速度、形变、力、温度、光强、成分等）的电测量。
它的主要原理是利用电磁量与非电量相互联系的某种效应，将非电量的测量转换为电磁量的测量。
由于电测量有一系列优点：
准确度高、量程宽、惯量小、操作简便，并可远距离遥测和实现测量技术自动化，非电量的电测量正在不断发展。
电学与其它学科
电学作为经典物理学的一个分支，就其基本原理而言，已发展得相当完善，它可用来说明宏观领域内的各种电磁现象。
20世纪，随着原子物理学、原子核物理学和粒子物理学的发展，人类的认识深入到微观领域，在带电粒子与电磁场的相互作用问题上，经典电磁理论遇到困难。
虽然经典理论曾给出一些有用的结果，但是许多现象都是经典理论不能说明的。
经典理论的局限性在于对带电粒子的描述忽略了其波动性方面，而对于电磁波的描述又忽略了其粒子性方面。
按照量子物理的观点，无论是物质粒子或电磁场都既有粒子性，又具有波动性。
在微观物理研究的推动下，经典电磁理论发展为量子电磁理论。
其它电学分支学科
磁学、电学、电动力学
其它物理学分支学科
物理学概览、力学、热学、光学、声学、电磁学、核物理学、固体物理学
电学发展史
1．公元前的琥珀和磁石
希腊七贤中有一位名叫泰勒斯的哲学家。
公元前600年前后，泰勒斯看到当明的希腊人通过摩擦琥珀吸引羽毛，用磁钱矿石吸引铁片的现象，曾对其原因进行过一番思考。
据说他的解释是：
“万物皆有灵。
磁吸铁，故磁有灵。
”这里所说的“磁”就是磁铁矿石。
希腊人把琥珀叫做“elektron”（与英文“电”同音）。
他们从波罗的海沿岸进口琥珀，用来制作手镯和首饰。
当时的宝石商们也知道摩擦琥珀能吸引羽毛，不过他们认为那是神灵或者魔力的作用。
在东方，中国人民早在公元前2500年前后就已经具有天然的磁石知识。
据《吕氏春秋》一书记载，中国在公元前1000年前后就已经有的指南针，他们在古代就已经用磁针来辨别方向了。
2．磁，静电
通常所说的摩擦起电，在公元前人们只知道它是一种现象。
很长时间里，关于这一种现象的认识并没有进展。
而罗盘则在13世经就已经在航海中得到了应用。
那时的罗盘是把加工成针形的磁铁矿石放在秸秆
里，使之能浮在水面上。
到了14世纪初，又制成了用绳子把磁针吊起来的航海罗盘。
这种罗盘在1492年哥伦布发现美洲新大陆以及1519年麦哲伦发现环绕地球一周的航线时发挥了重要的作用。
（1）磁，静电与吉尔伯特
英国人吉尔伯特是伊丽莎白女王的御医，他在当医生的同时，也对磁进行了研究。
他总结了多年来关于磁的实验结果，于1600年出了一本取名为《论磁学》的书。
书中指出地球本身就是一块大磁石，并且阐述了罗盘的磁倾角问题。
吉尔伯特还研究了摩擦琥珀吸引羽毛的现象，指出这种现象不仅存在于琥珀上，而且存在于硫磺，毛皮，陶瓷，火漆，纸，丝绸，金属，橡胶等是摩擦起电物质系列。
把这个系列中的两种物质相互摩擦，系列中排在前面的物质将带正电，排在后面的物质将带负电。
那时候，主要的研究方法就是思考，而他主张真正的研究应该以实验为基础，他提出这种主张并付诸实践，在这点上，可以说吉尔伯特是近代科学研究方法的开创者。
（2）雷和静电
在公元前的中国，打雷被认为是神的行为。
说是有五位司雷电的神仙，其长者称为雷祖，雷祖之下是雷公和电母。
打雷就是雷公在天上敲大鼓，闪电就是电母用两面镜子把光射向下界。
到了亚里斯多德时代就已经比较科学了。
认为雷的发生是由于大地上的水蒸气上升，形成雷雨云，雷雨云遇到冷空气凝缩而变成雷雨，同时伴随出现强光。
认为雷是静电而产生的是英国人沃尔，那是1708年的事。
1748年，富兰克林基于同样的认识设计了避雷针。
能不能用什么办法把这种静电收集起来？
这个问题很多科学家都考虑过。
1746年，莱顿大学教授缪森布鲁克发明了一种存贮静电的瓶子，这就是后来很有名的“莱顿瓶”。
缪森布鲁克本来想像往瓶子里装水那样把电装进瓶子里，他首先在瓶子里灌上水，然后用一根金属丝把摩擦玻璃棒能到水里。
就在他的手接触到瓶子和棒的一瞬间，他被重重地“电击”了一下。
据说他曾这样说过：
“就算是国王命令，我也不想再做这种可怕的实验了”。
富兰克林联想到往莱顿瓶里蓄电的事，于1752年6月做了一个把风筝放到雷雨云里去的实验。
其结果，发现了雷雨云有时带正电有时带负电的现象。
这个风筝实验很有名，许多科学家都很感兴趣，也跟着做。
1753年7月，俄罗斯科学家利赫曼在实验中不幸遭电击身亡。
通过用各种金属进行实验，意大利帕维亚大学教授伏打证明了锌，铅，锡，铁，铜，银，金，石墨是个金属电压系列，当这个系列中的两种金属相互接触时，系列中排在前面的金属带正电，排在后面的金属带负电。
他把铜和锌做为两个电极置于稀硫酸中，从而发明了伏打电池。
电压的单位“伏特”就是以他的名字命名的。
19世纪初，正是法国大革命后进入拿破仑时代。
拿破仑从意大利归来，在1801年把伏打召到巴黎，让他做电实验，伏打也因此获得了拿破仑授予的金质奖章和莱吉诺-多诺尔勋章。
（3）伏打电池的利用与电磁学的发展
伏打电池发明之后，各国利用这种电池进行了各种各样的实验和研究。
德国进行了电解水的研究，英国化学家戴维把2000个伏打电池连在一起，进行了电弧放电实验。
戴维的实验是在正负电极上安装木炭，通过调整电极间距离使之产生放电而发出强光，这就是电用于照明的开始。
1820年，丹麦哥本哈根大学教授奥斯特在一篇论文中公布了他的一个发现：
在与伏打电池连接了的
导线旁边放一个磁针，磁针马上就发生偏转。
俄罗斯的西林格读了这篇论文，他把线圈和磁针组合在一起，发明了电报机（1831年），这可说是电报的开始。
其后，法国的安培发现了关于电流周围产生的磁场方向问题的安培定律（1820年），法拉第发现了划时代的电磁感应现象（1831年），电磁学得到了飞速发展。
另一方面，关于电路的研究也在发展。
欧姆发现了关于电阻的欧姆定律（1826年），基尔霍夫发现了关于电路网络的定律（1849年），从而确立了电工学。
3．有线通信的历史
有人说科学技术是由于军事方面的需要而发展起来的，这种说法有一定的历史事实根据。
英国害怕拿破仑进攻，曾用桁架式通信机向自己的部队进报法国军队的动向。
瑞典，德国，俄罗斯等国家也以军事为目的，架设了由这类通信机组成的通信网，据说都曾投入了庞大的预算。
将这种通信机改造成电通信方式的构想大概就是有线通信的开始。
（1）有线通信的原理
除了将前面所讲到的西林所发明的电磁式电报机以外，还有德国的简梅林发明的电化学式电报机，高斯和韦伯（德国）的电报机，库克和惠斯能（英国）的5针式电报机等。
电报机的形式也是各种各样的，有音响式，印刷
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