电工基础摘要2

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辨连结起来；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。 　　法拉第的丰富的实验研究成果以及他的新鲜的场的观念，为电磁现象的统一理论筹备了条件。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年代由精彩的英国物理学家麦克斯韦完成。 　　麦克斯韦认为变更的磁场在其周围的空间激发涡旋电场；变更的电场引起媒质电位移的变更，电位移的变更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现出来，从而得到了电磁场的广泛方程组——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情势流传，电磁波在真空中的流传速度等于电量的电磁单位与静电单位的比值，其值与光在真空中流传的速度雷同，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，并视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吸收。 　　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——电磁波的利用和研究。1895年，俄国的波波夫和意大利的马可尼分辨实现了无线电信号的传送。后来马可尼将赫兹的振子改良为竖直的天线；德国的布劳恩进一步将发射器分为两个振藕线路，为扩大信号传递领域创造了条件。1901年马可尼第一次建立了横跨大西洋的无线电接洽。电子管的创造及其在线路中的利用，使得电磁波的发射和吸收都成为易事，推动了无线电技术的发展，极大地转变了人类的生活。 　　1896年洛伦兹提出的电子论，将麦克斯韦方程组利用到微观领域，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；而且还成功地阐明了关于光谱在磁场中决裂的正常塞曼效应；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动了一步。 　　在法拉第、麦克斯韦和洛伦兹的理论系统中，假定了有一种特别媒质“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，它转变了本来的观点，认定狭义相对论是物理学的一个基础原理，它否定了以太参照系的存在并修正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宏大的作用。 [编辑本段]电学的基础内容 　　电学研究的内容重要包含静电、静磁、电磁场、电路、电磁效应和电磁测试。 　　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。同种电荷相互排挤，异种电荷相互吸引。电荷屈服电荷守恒定律。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辨或转移；所谓电荷消散，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)来描写。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，电场强度屈服场强叠加原理。 　　通常的物质，按其导电性能的不同可分两种状况：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写。 　　电磁场是研究随时间变更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产生变更时，线圈上产生感应电流。感应电流的方向可由楞次定律断定。闭合线圈中的感应电流是感应电动势推动的成果，感应电动势屈服法拉第定律：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更率成正比。 　　麦克斯韦方程组描写了电磁场广泛屈服的规律。它同物质的介质方程、洛仑兹力公式以及电荷守恒定律联合起来，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成果是存在电磁波，变更的电磁场以电磁波的情势流传，电磁波在真空中的流传速度等于光速。这也阐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领域。 　　电路 包含直流电路和交换电路的研究，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；交换电路研究电流周期性变更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，导体有必定的电阻。稳恒条件下电流不随时间变更，电场亦不随时间变更。 　　根据稳恒时电场的性质、导电基础规律和电动势概念，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打算的理论基础。 　　交换电路比直流电路复杂得多，电流随时间的变更引起空间电场和磁场的变更，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)之间接洽的纽带。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保持温度梯度，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敏锐变更)、光敏电阻(半导体材料中电阻随光照敏锐变更)、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懂得物质的结构以及物质中产生的基础过程，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。 　　电磁测试也是电学的组成部分。测试技术的发展与学科的理论发展有着密切的接洽，理论的发展推动了测试技术的改良；测试技术的改良在新的基础上验证理论，并促成新理论的创造。 　　电磁测试包含所有电磁学量的测试，以及有关的其他量(交换电的频率、相角等)的测试。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)和测试电路，它们可满足对各种电磁学量的测试。 　　电磁测试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)的电测试。它的重要原理是利用电磁量与非电量相互接洽的某种效应，将非电量的测试转换为电磁量的测试。由于电测试有一系列优点：正确度高、量程宽、惯量小、操作简便，并可远距离遥测和实现测试技术主动化，非电量的电测试正在不断发展。 [编辑本段]电学与其它学科 　　电学作为经典物理学的一个分支，就其基础原理而言，已发展得相当完善，它可用来阐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，经典电磁理论遇到艰苦。虽然经典理论曾给出一些有用的成果，但是许多现象都是经典理论不能阐明的。经典理论的局限性在于对带电粒子的描写疏忽了其波动性方面，而对于电磁波的描写又疏忽了其粒子性方面。 　　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。 [编辑本段]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，中国国民早在公元前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分辨方向了。 　　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无进展。　　而罗盘则在13世经就已经在航海中得到了利用。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年哥伦布创造美洲新大陆以及1519年麦哲伦创造缭绕地球一周的航线时施展了重要的作用。 　　（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成果，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，并且论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，重要的研究方法就是思考，而他主意真正的研究应当以实验为基础，他提出这种主意并付诸实践，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，打雷被认为是神的举动。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。认为雷的产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，同时伴随涌现强光。 　　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。 　　能不能用什么措施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创造了一种存贮静电的瓶子，这就是后来很著名的“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。其成果，创造了雷雨云有时带正电有时带负电的现象。这个风筝实验很著名，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，从而创造了伏打电池。电压的单位“伏特”就是以他的名字命名的。 　　19世纪初，正是法国大革命落后入拿破仑时代。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 　　伏打电池创造之后，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，通过调剂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端。 　　1820年，丹麦哥本哈根大学教授奥斯特在一篇论文中颁布了他的一个创造：在与伏打电池连接了的 导线旁边放一个磁针，磁针马上就产生偏转。 　　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，创造了电报机（1831年），这可说是电报的开端。 　　其后，法国的安培创造了关于电流周围产生的磁场方向问题的安培定律（1820年），法拉第创造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。欧姆创造了关于电阻的欧姆定律（1826年），基尔霍夫创造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，这种说法有必定的历史事实根据。 　　英国畏惧拿破仑进攻，曾用桁架式通信机向自己的部队进报法国部队的动向。瑞典，德国，俄罗斯等国家也以军事为目标，架设了由这类通信机组成的通信网，据说都曾投入了宏大的预算。 　　将这种通信机改革成电通信方法的构想大概就是有线通信的开端。 　　(1）有线通信的原理 　　除了将前面所讲到的西林所创造的电磁式电报机以外，还有德国的简梅林创造的电化学式电报机，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。电报机的情势也是各种各样的，有音响式，印刷式，指针式，钟铃式等。其中，库克和惠斯通的5针式电报机最为著名。1837年，这种电报机曾通过架设在伦敦与西德雷顿之间长达20公里的5根电线而投入实际利用。 　　（2）莫尔斯电报机 　　1837年，莫尔斯电报机在美国研制成功，创造人就是以莫尔斯电码而驰名的莫尔斯。莫尔斯电码是一种以点，划来编码的信号。 　　莫尔斯本来是想当一名画家，他为此在伦敦留学。1815年，他在回美国的船上听了波士顿大学教授杰克逊关于电报的一席谈话，萌发了莫尔斯电码和电报机的构想。为了铺设电报线，莫尔斯成立了电磁-电报公司，并于1846年在纽约-波士顿，费城-匹兹堡，多伦多-布法罗-纽约之间开通了电报业务。 　　莫尔斯的事业获得了极大成功，于是就在美国各地创办电报公司，电报业务逐渐扩大起来。 　　1846年，莫尔斯电报机装上了音响收报机，利用也更加方便。 　　（3）电话和交换机 　　1876年2月14日，美国的两位创造家贝尔和格雷分辨递交了电话机专利的申请，贝尔的申请书比格雷的申请书早两个小时达到，因而贝尔得到了专利权。 　　1878年，贝尔成立了电话公司，制作电话机，全力发展电话事业。 　　从发展电话业务开端，交换机就担负着重要的任务。1877年前后的交换机称为传票式交换机，话务员收到通话恳求，很把传票交给另一位话务员。 　　其后，经过重复改良，开发出了框图式交换机，进而又开发出了主动交换方法（1879年）。 　　1891年，史端乔式主动交换机研制成功。至此，主动交换的愿望就算实现了。之后研究仍在持续，又经过了几个阶段才达到现在的电子交换机。 　　（4）海底通信电缆 　　陆上通信网日渐完备，人们开端考虑在海底敷设通信电缆来实现跨海国家之间的通信。1840年前后，惠斯通就已经考虑到了海底电缆的问题。 　　海底电缆有很多问题需要解决，电缆的机械强度，绝缘及敷设方法都陆上电缆不同

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