第22课
雷霆战车动大地闪电火花——对电的认识
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《云里·悟道》系列微课简介
认识世界，分析万物原理，我是中国科学院物理研究所副研究员杨海涛。 本课程我们主要简单回顾一下人类对电的认识和研究。 我们也希望更多的同学能够参与到探索电的奥秘中来。
人类早期对电的理解
01
首先我们来说说人类早期对电的认识。 从公元前1500年的殷商时期开始，中国就使用甲骨文，西周则使用金文等象形字体，形象地记录了雷电二字。 随后的各个朝代对闪电和摩擦起电现象都有比较详细的记录。 例如北宋沈括在《梦溪笔谈》中就记载了雷击剑鞘的事件。 他发现刀的钢已经融化了，但刀鞘却完好无损。 在中国古代，对闪电现象的研究主要基于观测。
“电”字，指的是西周青铜器上的闪电
在西方，早在公元前600年，古希腊哲学家、物理学家泰勒斯就利用琥珀进行摩擦起电实验。 泰勒斯一生致力于哲学和物理学的研究，至今未婚。 据记载，他是处理父母强迫婚姻的专家。 随后，英国的吉尔伯特、德国的库里克、英国的格雷和法国的杜菲相继对电现象做出了更加深入细致的观察。 他们建造了验电器，转动摩擦发电机，发现有两种电荷，一种是排斥的，一种是异性吸引的。 直到1752年，富兰克林利用风筝感应闪电，对闪电进行了详细的研究。 16、17世纪的西方，受哲学家培根思想的影响，物理学家用更多的实验来探索电的起源。
1752年，富兰克林用风筝进行了带电实验。 后来他发表了实验结果，但遭到了教会和一些科学家的质疑。 但富兰克林始终相信自己的研究是正确的，因此他对物理学的研究需要持之以恒。 在雷电研究中，雷电的冲击电流可达3万安培，感应电压可达1至10亿伏，这是非常危险的。 俄罗斯科学家里奇曼（GW，彼得堡科学院院士，1711-1753）于1753年在做后期实验时触电身亡。 因此，我们学生在做电学实验时一定要十分注意安全。
展位实验
同时，在16、17世纪，西欧上流社会，尤其是王室，也对电现象非常感兴趣，经常邀请一些科学家到皇宫表演。 因此，物理学家也获得了非常好的机会，可以得到资金支持和一些较高的社会福利来进行科学研究。
英国女王伊丽莎白一世（1533-1603）观看吉尔伯特的羽毛静电吸引实验
电的起源
02
随着对电现象研究的深入，我们现在对电有了比较清晰的认识。 我们知道物质是由原子组成的，而原子是由带正电的原子核和原子核外带负电的电子组成的。 最早，科学家道尔顿提出了原子的固体球模型，后来汤姆森提出了葡萄干和蛋糕模型，卢瑟福提出了行星模型，科学家玻尔提出了玻尔模型。 现在我们认识到电子具有波粒二象性。 它们有一定的概率出现在原子核周围。 我们称之为电子云。 薛定谔和玻恩还提出了电子云模型，用波函数来描述电子云出现的概率，我们称之为原子轨道。
电子轨道
对于电荷，我们发现它遵循电荷守恒定律。 电荷既不能产生也不能消除。 在任何物理过程中，它们只能从一个物体转移到另一个物体，或者从一个物体的一个部分转移到另一个部分。 ，电荷代数和守恒。 在宏观世界中，当我们用玻璃棒摩擦丝绸时，我们可以发现两者会带有相反的电荷。 这是一个电荷转移的过程。 事实上，在微观世界中，我们的正电子和负电子碰撞后，也会湮灭，产生不带电的高能光子，这也遵守电荷守恒定律。
电的定量研究
03
在对电的本质有了更深入的了解后，科学家们希望能够对电进行定量研究。 英国科学家吉尔伯特发明了验电器，法国诺雷特也发明了更为精密的验电器。 德国科学家布劳恩随后发明了静电计，可以精确测量带电物体的电量。
验电器：吉尔伯特（左）； 诺雷（右）
静电计
法国物理学家库仑从1785年到1789年花了4年时间希望能用仪器来精确测量电。 他发明了库仑扭力标度。 利用这个装置，他提出了库仑定律——真空中两个静止点电荷q1和q2之间相互作用力的大小与物体电荷的乘积成正比，与距离的平方成反比。 同时，他提出同号电荷相斥，不同符号电荷相吸。
库仑扭力标尺
美国科学家密立根根据库仑定律发明了测量电子电荷的油滴法，并因此获得1923年诺贝尔物理学奖。 现在我们知道，任何物质的电荷都是基本电荷的整数倍。 基本电荷是质子或电子携带的电荷。 电量的单位库仑为1库仑，包含6.24×1018个基本电荷。 当然，我们也可以反过来定义，基本电荷的电量为1.6×10-19库仑。
油滴法测量电荷
发电
04
人类能够精确测量电量后，发现摩擦起电带电的电量太小，对人类帮助不大。 科学家们想知道如何使用机械来产生更多的电能或电力。 18世纪初，英国人豪克斯比发明了第一台大功率摩擦发电机。 但它产生的电是静电。 1800年，意大利人伏特发明了伏特电池，产生直流电。 1821年，英国科学家法拉第制成了世界上第一台电动机。 然后他利用电磁感应原理制造了盘式发电机。 除了在物理学上有很高的造诣外，法拉第还非常愿意做科普——据说他给小学生上了很多化学科普课。 由于法拉第的老师大卫是一名化学家，他认为法拉第进行电学研究并没有很好地完成他的工作。 此外，法拉第也非常愿意交流。 他组织了皇家科学院的周五研究论坛，每次他做报告时，座无虚席。
第一台大功率摩擦发电机（静态）
1832年，法国的皮克西发明了第一台手摇交流发电机。 当时的发电机还比较笨重。 1866年，德国西门子发明了自励式直流发电机。 生产了交流和直流发电机。
第一台手摇交流发电机（左）
自励式直流发电机（右）
说到发电机的发明，就不得不提一位名叫尼古拉·特斯拉的科学家。 尼古拉·特斯拉对电的研究非常着迷。 在他的实验室里，他经常做各种放电实验。 当他高兴的时候，他就会拿着一个会发电的电球，拿给别人看。 1882年他发明了世界上第一台两相交流发电机。
世界首台两相交流发电机组
此外，他在电力的其他领域也取得了许多成就。 例如，1885年发明了多相电力传输技术。 1898年，他发明了无线电遥控技术。 特斯拉实际上就职于美国科学家爱迪生创立的直流公司。 爱迪生非常推崇直流电，他认为交流电是异端。 所以，如果把爱迪生直流电和特斯拉交流电，两个人的战斗的故事拍成电视剧，那绝对是一部跌宕起伏的宫斗剧。 我们现在的人类社会除了利用电磁感应来发电之外，还可以利用光电效应、热电效应、压电效应来发电。
电力传输
05
现在我们对电的起源有了清晰的认识。 使用发电机发电后库仑扭秤，我们需要将电力传输到我们需要使用的地方。 现在根据电荷传导的难易程度，我们可以将物质分为导体、绝缘体和半导体。 德国科学家欧姆于1820年开始研究电力传输。1825年和1826年，他发表了两篇论文，提出了他对电力传输的理解。 直到 1827 年，他才在第三篇论文中正确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。 欧姆定律是指在稳定的条件下，特别是在稳定的温度条件下，通过导体的电流强度与导体两端的电压成正比。 。 欧姆定律适用于金属导体和电解质，但不适用于气体导体和半导体器件，例如晶体管和电子管。
与电子传输相关，我们还有电流强度、电流密度、电阻率、电导率等概念。电流强度是标量，而电流密度是矢量。 研究体导体中电流的分布时会用到电流密度。 电阻是导体的固有属性，与导体的长度和横截面积有关。 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范围内的，我们称为导体；电阻率在10-8-10-6 Ω·m范围内的，我们称为导体； 在108-1018Ω·m范围内，我们称其为绝缘体； 在10-5-106 Ω·m范围内，我们称其为半导体。
在金属导体中，当没有外部电场时，电子正在进行无序的热运动。 施加电场后，电子将沿一个方向移动。 然而，电子在金属中的漂移速度仅为10-4m/s，远小于电子的平均热运动速率105m/s。 那么，为什么我们的灯和电力负载在我们打开开关的那一刻就开始工作呢？ 事实上，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。
金属导体中，银、铜、铝的电阻率最小，达到10-8Ω·m。 但即使如此低的电阻率也会在电力传输过程中造成非常大的损耗。 为了减少运输过程中电力的损失库仑扭秤，科学家们一直在努力寻找电阻率更低的材料。 在对汞、铌、铅等金属材料进行低温实验时，发现当温度下降到一定温度，例如4.2K时，发现其电阻突然下降到0，因此科学家将其命名为材料为超导体。 经过多年的努力，超导体的工作温度现已可以位于液氮温度范围内。 科学家们仍在寻找可以在室温甚至高温范围内工作的超导体。 如果这个梦想真的能够实现，那么人类对电力的利用将取得更大的飞跃。
当超导材料下降到一定温度时，电阻突然下降到0
在找到可以在室温和高温下工作的超导体之前，科学家们也在使用其他技术来传输电力，其中之一就是超高压传输。 我们知道电力在运输过程中会产生热量。 这个损耗与电流的平方成正比，这就是焦耳定律。 每个电站输送的功率是一定的，等于电压和电流的乘积。 如果能够大幅提高电压，就可以大大减少运输过程中电能的损耗。 我国目前有能力建设特高压输电线路。 8条特高压输电线路每年可减少二氧化碳排放3.2亿吨。 我国特高压输电技术、高铁技术、核电技术均处于世界领先水平。
特高压输电
为了更方便地传输电能，科学家们也在开发无线电力传输技术，例如利用磁场感应的无线电力传输技术、利用磁场谐振的无线充电技术、微波无线充电技术以及将在全球范围内实现的无线电力传输。未来发展。 技术。 科学家希望利用无线电力传输技术将电力传输得更远、功率更大。 这当然需要科学家进一步的努力。 一些无线电力传输技术已经落地到生活中，比如手机的无线充电。
磁场感应无线电力传输技术（左）
磁场共振无线充电技术（右）
微波无线充电技术（左）
全球无线电力传输技术（右）
半导体对当今人类生活的影响更大。 半导体的电力传输能力虽然不如金属导体，但在生活中有着非常重要的应用。 我们使用的各种电子产品中都使用了半导体器件。 半导体器件由硅制成。 目前，单晶硅的纯度可以达到12个九（99.%），可以说是地球上最纯净的物质。
单晶硅
半导体中电力的传输主要是通过载流子来实现的，包括非自由电子和空穴。 在半导体中，电传输的主要模式包括漂移、扩散、生成和复合。 其中，迁移量主要用来表达和描述载流子漂移速度。 我们可以看到，在半导体器件中，硅的载流子迁移率为1350，碳纳米管和石墨烯的载流子迁移率可以达到2万甚至10万。 如果未来使用碳纳米管或石墨烯来制造半导体器件，不仅速度可以大大提高，而且半导体器件的尺寸也可以大大减小。 但要真正实现由碳纳米管或石墨烯制成的半导体器件还有很长的路要走。
我们再谈谈绝缘体。 绝缘体是指不善于传导电流的物质。 这并不是说绝缘体上没有电子。 它有绑定费用。 它只是没有免费的运营商。 因此，对于绝缘体来说，没有绝对的绝缘体，只有不费力的电压。 当电压达到一定程度时，绝缘体就会击穿而变成导体。 在最近的研究中，科学家发现了一种特殊类型的绝缘体，称为拓扑绝缘体。 拓扑绝缘体是整体不导电但表面和界面导电的材料。 在这种情况下，可以利用电子自旋的特性来实现有序的电子传输，从而大大降低能量消耗。 这对于电子设备的发展也具有非常重要的意义。
拓扑绝缘体
电力储存
06
人类可以发电，也可以实现电力的高效传输，但是电传输到某个地方后不想立即使用怎么办？ 这时，人类想到了储存电能。 在电能存储方面，主要有化学储能和物理储能。 化学储能主要采用锂离子、钠离子、锂空气、锌空气等二次电池技术。 在电场的作用下，锂离子和钠离子可以嵌入或脱嵌在电极中，从而储存电能。 物理学在钠电池的开发中已投入实际应用。 虽然钠离子电池的充放电速度比锂离子电池慢，但由于钠在地球上的储量非常丰富，所以钠离子电池的价格非常便宜，可以广泛应用于我们的生活中。
化学储能
在物理储能方面，主要采用电容器。 电容器的结构比较简单。 通过在两个电极之间放置电介质，可以实现电力存储。 储存电力的能力，即电容器的大小，与电介质的介电常数、电极板的面积以及两电极板之间的距离成正比。 为了提高电容器的储电能力，科学家们开发了超级电容器，主要是利用电介质的双电层和一些贵金属氧化物的液态电容来实现。
超级电容
碳纳米管、石墨烯等材料在超低温领域的应用，极大地提高了超级电容器的容量。 超级电容器的循环次数较高，可以达到5万次以上，而且充放电速度非常快。 因此，未来超级电容器将与锂离子钠离子电池技术一起成为生活中重要的储能技术。
在这门课程中，我们谈到了人类对电的认识和利用。 事实上，电和磁是密切相关的两种物理现象。 下节课，张颖老师将为大家带来磁力的起源与认知，敬请期待。 认识世界，分析万物原理，我是中国科学院物理研究所副研究员杨海涛。
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