电子带什么电电是如何工作的？

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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电是如何工作的？

当我还是个孩子的时候，我最喜欢的电影之一是《霹雳舞2》。

这部电影和电没有什么关系，和布加洛舞也没什么关系。尽管它对我糟糕的舞技没有什么帮助，但它的确让我偶尔想到，如果为青少年开设一个社区中心该有多酷。

你也许好奇这与科学有什么关系。这是关于舞蹈的科学吗？不，这只是一个非常微不足道的尝试——用幽默来介绍本周的主题：电。

什么是电

人们常说的电，科学家称之为电流。如果你听到“电流”这个词时首先想到的是湍急的河流或推动船只前进的海底水流，那么就接近我们的主题了。电流就是带电粒子流。

有几种不同类型的带电粒子载体，但当我们谈论电的时候，通常指的是电子。如果你还记得我讲原子的那一集，你就会知道电子是漂浮在原子核周围的带负电荷的小粒子。参见:什么是静电?

Electricity

图源：Quick and Dirty Tips

或许你通过《天才小子吉米》了解了一些，但电子并不像小型太阳系里的行星那样绕原子核公转。相反，大部分时间里电子会在原子核周围被称为原子轨道的特定区域。这些轨道有不同的形状，取决于一个原子有多少个电子，还有其他一些因素。

这些原子轨道在原子核周围层层排列。对于电来说，我们真正关心的电子是在最外层的电子，它们有时被称为价电子。

当电流流动时，事实是这些价电子从一个原子移动到另一个原子。

原子结构示意图

屏蔽

想象一下，有一段直径为一个原子的金属丝。当你把一个电子推入电线的一端（比如从电池里），它就会尝试跳入它遇到的第一个原子的价壳层。当这个新的电子进入时，它会把一个价电子推出原子，这个价电子会进入下一个原子。这个过程沿着金属丝一直持续下去。

你也许知道导体导电，绝缘体不导电。而你可能不知道的是，导致导体与绝缘体这种不同性质的原因是价电子的运动。

在大多数绝缘体中，原子核对价电子有很强相互作用力，使价电子难以被推离位置。因为电子不运动，不会存在电流。

有一些不同的因素决定一个物体是绝缘体还是导体。像铜和银这样的原子的价电子可以自由地从一个原子流向另一个原子的原因之一是，它们的内壳层有很多电子，以至于价电子被屏蔽了，不受原子核的引力作用。这使得价电子可以在新的电子把它们推开的时候随意地从一个原子跳到另一个原子。

要有光

在电线里运动的电子是伟大的，但是如果我们想利用电做一些有用的事情，比如开灯，会怎么样呢?电子再一次成为关键。

就白炽灯泡而言，当电子进入灯丝时，会刺激灯丝中的原子使其振动。这种振动导致一些电子转移到一个更高的能级，但这种变化只是暂时的。短时间后，电子会回落到先前的水平，以光子或光粒子的形式释放出额外的能量。

相关知识

电是静止或移动的电荷 (带电粒子）所产生的物理现象，是自然界四种基本相互作用之一。在大自然里，电的机制给出了很多众所熟知的效应，例如闪电、摩擦起电、静电感应等电现象。很久以前，就有许多术士就对此进行过研究，但结果乏善可陈。

自然界的闪电是电的一种现象。

从18世纪开始，电学取得了重要的发展和突破，如：电荷守恒定律（1752）、库仑定律（1785）、伏打电池（1800）、安培定律（1826）、欧姆定律（1827）、电磁感应（1831）、基尔霍夫电路定律（1845）、戴维南定理（1883）、无线电波（1888）、电子的发现（1897）等。19世纪末以来，电机工程学的快速发展带给了工业和社会巨大的改变，真空三极管的发明推动电子时代急速向前推进。二十世纪中叶，半导体科技的崛起，出现了晶体管和集成电路。

作者:Lee Falin

FY:没有眉毛的寇拾叁

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常见问题：什么是电？

电流流过灯泡灯丝，灯丝开始发光并开始发光。

什么是电？

电是能源的一种形式。电是电子的流动。所有物质都是由原子组成的，原子有一个中心，称为原子核。原子核包含称为质子的带正电粒子和称为中子的不带电粒子。原子核被称为电子的带负电粒子包围。电子的负电荷等于质子的正电荷，原子中电子的数量通常等于质子的数量。当质子和电子之间的平衡力被外力破坏时，原子可能会获得或失去电子。当电子从原子中“丢失”时，这些电子的自由运动就形成了电流。

电是自然界的基本组成部分，也是我们使用最广泛的能源形式之一。我们通过其他能源（如煤炭、天然气、石油、核能和其他自然资源）的转化获得电力，这是二次能源，这些能源被称为一次能源。许多城镇都是沿着瀑布（机械能的主要来源）建造的，瀑布转动水轮进行工作。一百多年前，在发电开始之前，房屋是用煤油灯照明的，食物在冰箱中冷却，房间是用燃木或燃煤的炉子取暖的。从本杰明·富兰克林开始在费城的一个暴风雨之夜，通过对风筝的实验，电的原理逐渐被人们理解。1800年代中期，随着电灯泡的发明，每个人的生活都发生了改变。1879 年之前，电力已用于室外照明的弧光灯。灯泡的发明利用电力为我们的家带来室内照明。

变压器如何使用？

为了解决长距离输电的问题，乔治·威斯汀豪斯开发了一种称为变压器的设备。变压器使电力能够有效地长距离传输。这使得向远离发电厂的家庭和企业供电成为可能。

尽管电在我们的日常生活中非常重要，但我们大多数人很少停下来思考没有电的生活会是什么样子。然而，就像空气和水一样，我们往往认为电是理所当然的。每天，我们都用电来完成许多功能——从照明和供暖/制冷，到作为电视和电脑的电源。电是一种可控且方便的能源形式，用于热、光和动力应用。

如今，美国电力行业的建立是为了确保在任何特定时刻都有充足的电力供应来满足所有需求。

电力是如何产生的？

发电机是将机械能转换成电能的装置。该过程基于磁和电之间的关系。当电线或任何其他导电材料穿过磁场时，电线中就会产生电流。电力行业使用的大型发电机具有固定导体。连接到旋转轴末端的磁铁位于固定导电环内，该导电环缠绕着一根长而连续的电线。当磁铁旋转时，它会在经过的每一节电线中感应出一个小电流。每一段电线都构成一个小的、独立的电导体。各个部分的所有小电流加起来就形成了相当大的电流。该电流用于电力。

涡轮机如何用于发电？

电力发电站使用涡轮机、发动机、水轮或其他类似机器来驱动发电机或将机械能或化学能转换为电能的装置。蒸汽轮机、内燃机、燃气轮机、水轮机和风力涡轮机是最常见的发电方式。

美国的大部分电力是由蒸汽轮机产生的。涡轮机将移动流体（液体或气体）的动能转换为机械能。蒸汽涡轮机具有安装在轴上的一系列叶片，蒸汽被迫抵靠这些叶片，从而使连接到发电机的轴旋转。在化石燃料蒸汽轮机中，燃料在熔炉中燃烧，以加热锅炉中的水以产生蒸汽。

煤炭、石油和天然气在大型熔炉中燃烧来加热水，产生蒸汽，进而推动涡轮机的叶片。您是否知道煤炭是美国用于发电的最大单一主要能源？1998年，全县3.62万亿千瓦时的电力中有一半以上（52%）以煤炭为能源。

天然气除了燃烧来加热水产生蒸汽外，还可以燃烧产生热燃烧气体，直接通过涡轮机，旋转涡轮机的叶片来发电。当电力使用需求较高时，通常使用燃气轮机。1998年，全国15%的电力由天然气提供。

石油还可以用来产生蒸汽来驱动涡轮机。残渣燃料油是从原油中提炼的产品，通常是用石油产生蒸汽的发电厂使用的石油产品。1998 年，美国发电厂用石油发电的发电量不到总发电量的百分之三 (3%)。

核能是一种通过核裂变过程加热水产生蒸汽的方法。在核电站中，反应堆包含核燃料核心，主要是浓缩铀。当铀燃料原子受到中子撞击时，它们会裂变（分裂），释放热量和更多中子。在受控条件下，这些其他中子可以撞击更多的铀原子，分裂更多的原子，等等。由此，可以发生连续裂变，形成释放热量的链式反应。热量被用来将水转化为蒸汽，进而驱动涡轮机旋转发电。2015年，核电发电量占全国电力总量的19.47%。

截至2013年，水力发电占美国发电量的6.8%。这是一个利用流动的水来旋转连接到发电机的涡轮机的过程。发电的水力发电系统主要有两种基本类型。在第一个系统中，流动的水积聚在利用水坝形成的水库中。水通过称为压力管道的管道落下，并对涡轮叶片施加压力以驱动发电机发电。在第二个系统中，称为径流式系统，河水的力量（而不是落水）向涡轮机叶片施加压力以产生电力。

其他发电来源

地热能来自埋藏在地球表面之下的热能。在该国的一些地区，岩浆（地壳下的熔融物质）流动到足够靠近地球表面的位置，将地下水加热成蒸汽，可用于蒸汽轮机厂。截至 2013 年，这种能源发电量仅占全国发电量的不到 1%，尽管美国能源情报署评估称，西部九个州有可能生产足够的电力来满足全国 20% 的能源需求。

太阳能源自太阳的能量。然而，太阳能并不是全时可用的，而且分布广泛。历史上，利用太阳能发电的过程比使用传统化石燃料的过程更昂贵。光伏转换直接利用光伏（太阳能）电池中的太阳光产生电力。光热发电机利用太阳的辐射能产生蒸汽来驱动涡轮机。2015年，太阳能发电仅占全国电力的不到1%。

风能是将风中的能量转化为电能而产生的。风能和太阳一样，通常是一种昂贵的发电来源。2014年，它的用电量约占全国电力的4.44%。风力涡轮机类似于典型的风车。

生物质（木材、城市固体废物（垃圾）和农业废物，如玉米芯和麦秆）是其他一些用于发电的能源。这些来源取代了锅炉中的化石燃料。木材和废物的燃烧产生蒸汽，通常用于传统蒸汽发电厂。2015 年，生物质发电占美国发电量的 1.57%。

发电机产生的电力沿着电缆传输到变压器，变压器将电力从低压变为高压。使用高压可以更有效地长距离输送电力。输电线路用于将电力输送到变电站。变电站配有变压器，可将高压电转变为低压电。配电线路将电力从变电站输送到需要低压电力的家庭、办公室和工厂。

如何测量电量？

电力以称为瓦特的功率单位来测量。它的命名是为了纪念蒸汽机的发明者詹姆斯·瓦特。一瓦是一个非常小的功率。1 马力需要近 750 瓦。一千瓦代表 1,000 瓦。千瓦时 (kWh) 等于 1,000 瓦工作一小时的能量。发电厂在一段时间内产生的电量或客户使用的电量以千瓦时 (kWh) 为单位。千瓦时是通过将所需的千瓦数乘以使用小时数来确定的。例如，如果您每天使用 40 瓦的灯泡 5 小时，则您已使用 200 瓦的功率，即 0.2 千瓦时的电能。