剖析物理学中“电”的多重意义与特性

    谈到“电”,在物理学中它具有众多不同的含义,今天我们着重来认识其中三个:电荷、电流、电能。

   首先,什么是电荷?物质由分子构成,比如水由水分子构成。分子又由原子构成,水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成。原子由居于中心的原子核和若干围绕其高速运转的电子构成,原子核则由带正电荷的质子和不带电荷的中子组成。

    需要注意的是,分子、原子、质子、电子都不叫电荷,电荷是一种性质,可以形象地称之为粒子的“灵魂”。具有这种“灵魂”的粒子是电子和质子(原子核所带电荷实则是其中质子所带的),质子带正电荷,电子带负电荷,同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。电荷依附于粒子存在,会产生电场,能与磁场相互作用。

    电荷的最小单元是元电荷 e,每个电子带一个 -e,每个质子带一个 +e。一个原子中 +e 和 -e 的数量通常相等,正负作用抵消,所以原子正常情况下呈不带电性质。

    物体带电通常是因为内部原子的电子发生转移。例如,A 物体的大量原子失去电子就会显正电,B 物体的原子得到电子就会显负电。物体带电的原因主要包括摩擦起电、感应带电和接触带电。

    在此要强调,我们所说的电,即发电厂发出的那种,和电磁波完全不同,不能混为一谈。电磁波是一种物质或能量形态,能在真空中存在并自行传播,而电不行,它是一种力,不能在真空中独立存在,把电理解为电子的流动也是错误的。

    自然界存在四种基本力:万有引力、电磁力、弱相互作用力、强相互作用力。这四种力都有各自的“场”,万有引力具有无限距离的引力场,任何有质量的物质都有万有引力和引力场。电磁力有电磁场,作用距离有限,根据电磁势高低产生斥力或吸力。弱力和强力作用距离更短,只在原子核内部起作用。

    衍生力是由基本力衍生而来,比如重力、推力等,特点是需要耗费能量产生或由自然力衍生,不具有场。

    电场通常是原子内电子不平衡导致的,本质源于电磁力,比如塑料格尺摩擦头发。电力也能影响导体原子内的电子从而产生电场。总之,电是一种衍生力,不会凭空产生,也不能脱离介质单独存在。

    “能量”的含义广泛,不能简单称电为能量。广义上,风能、水能、光能、热能等都可称为能量。在物理范畴的狭义上,能量本质是物质,是失去三维结构的二维物质,如电磁波。能量可与物质相互转换。 

电能