物理课程/电学

带电粒子

带电粒子是构成物质原子中最小的不可分割的带电粒子。带电粒子有三种，分别是电子、质子和中子。

带电粒子	质量	电荷	符号
电子	9.1094 × 10−31 kg	−1.602 × 10−19 C	e-
质子	9.1094 × 10−31 kg	+1.602 × 10−19 C	p+
中子	1.6726 ×10-27 kg	0 C	p0

原子模型

1. 所有物质都具有质量和体积，存在于三种状态：固体、液体、气体。
2. 所有物质都由化学元素的原子构成。
3. 原子由带电粒子构成。
4. 原子有一个原子核，原子核由质子和中子组成，电子在围绕原子核的圆形轨道上运行。
5. 只有最外层轨道的电子能够参与电反应。
6. 最外层轨道的电子具有最高的势能（静止）和最低的动能。
7. 每个电子轨道或电子层都有一个量子能级，一个不同的能级。
8. 有四个这样的电子层，它们具有能量量子。
9. 当电子从低能级跃迁到高能级时，会发射光。

电荷

通常，所有物体都具有零净电荷。当物体获得或失去电子时，它将变为正电荷或负电荷。

物体 + e^- = 正电荷

物体 - e^- = 负电荷

所有电荷都具有以下特性：电场、磁场和电荷。

电荷	电场线	磁场线	电荷量
负电荷	-Q	指向	顺时针方向
正电荷	+Q	指向外	逆时针方向

电

当电荷相互作用时，就会产生电流。电荷的相互作用产生电流的方式有两种：

1. 两种不同电荷的吸引。 - <-- + . + --> -
2. 电荷量差异。 ++++ --> ++

第一种被称为动能，第二种被称为势能

电磁力

静电力

如果有两个异种电荷位于同一平面上的彼此附近。负电荷对正电荷的吸引力可以通过库仑定律计算

$F=k{\frac {Q_{+}Q_{-}}{r^{2}}}$

电力

如果有一种电力使静止电荷沿直线运动，那么这种电力被称为电动势，可以通过安培定律计算

$F_{E}=EQ$

如果有一种磁力使移动电荷沿垂直于初始方向的直线运动，那么这种磁力被称为电磁动势，可以通过洛伦兹定律计算

$F_{E}=BvQ$

电磁力

安培定律和洛伦兹定律对移动电荷的总和被称为电磁力，可以通过以下公式计算：

$F_{E}B=F_{E}+F_{B}=Q(E+vB)$

物质和电

所有与电相互作用的物质都分为三类

• 导体。所有允许电流轻松流过的物质。例如铜 (Cu)、铁磁体 (Fe)、锌 (Zn)
• 非导体。所有不允许电流流过的物质。例如木头、橡胶
• 半导体。所有允许电流在导体和非导体之间有一定程度流通的物质。例如铜 (Cu)、铁磁体 (Fe)、锌 (Zn)

导体和电

当导体连接到电源时。电源会施加压力，迫使电荷沿直线移动。电源的压力称为电压，用 V 表示，以伏特 (v) 为单位。电荷沿直线流动的现象称为电流，用 I 表示，以安培 (A) 为单位。

电气特性	定义	符号	公式	单位
电压	迫使电荷沿直线移动的电势差	V	$V={\frac {W}{Q}}$	V
电流	电荷沿直线流动的现象	I	$I={\frac {Q}{t}}$	A
电阻	电压与电流之比	R	$R={\frac {V}{I}}$	Ω
电导	电流与电压之比	G	$G={\frac {I}{V}}$	电导
电源	电压和电流的乘积	PV	$P=VI=({\frac {W}{Q}}$) (${\frac {Q}{t}})={\frac {W}{t}}$	焦耳
功率损耗	电力在转换为热能过程中的损失	PR	$P_{R}=V_{R}I_{R}$ $P_{R}=I_{R}^{2}R$ $P_{R}={\frac {V_{R}^{2}}{R}}$	焦耳
传输功率	电源功率与功率损耗的差值	P	$P=P_{V}-P_{R}$ $P=VI-I^{2}R$ $P=I(V-IR)$	焦耳
功率效率	功率效率用于衡量传输功率相对于电源功率的效率	n	$n={\frac {P}{P_{V}}}$ $n={\frac {PCos\Theta }{P}}=Cos\Theta$ $n={\frac {V-IR}{I}}$ $n={\frac {I-{\frac {R}{R}}}{I}}$

导体的电阻和热量散失

每个导体在传输电流时都会将热能释放到周围环境中，其计算公式为

$P_{R}=V_{R}I_{R}=I^{2}R={\frac {V^{2}}{R}}$

导体的电阻和温度

任何导体的电阻都会随着温度的升高而增加

物质	导体	半导体
电阻	$R=R_{0}(1+\alpha T)$	$R=R_{0}e^{(}\alpha T)$

黑体辐射

每个导体在传导电流时都会表现出*温度变化*并向周围释放辐射热能。这被称为黑体辐射。*黑体辐射的辐射热能是一种具有波粒二象性的波。有时它表现为波，有时它表现为粒子*

频率	速度	波长	能量
f < fo	v = λ f	$\lambda ={\frac {v}{f}}$	E = m v2
f = fo	v = c	$\lambda ={\frac {c}{f_{o}}}$	E = h fo
f > fo	v = c	$\lambda ={\frac {c}{nf_{o}}}$	E = h nfo

光电效应

当光照射在物质上时，会使物质表面的电子逸出成为自由电子，并改变物质的导电性。这被称为光电效应

在光电效应中，当光照射在物质上时，物质会吸收光的热能，直到达到其最大吸收能力，然后任何多余的能量都被用来使物质表面的电子逸出。

光能 = 热吸收 + 逸出电子所需的能量

hf = hfo + ½ m v²

为了产生自由电子

hf > hfo 对于 v > 0

f > fo

光电效应只发生在光频率 f 大于物质的阈值频率 fo 时

具有这种特性的光包括

1. 阳光
2. 黑体辐射的辐射光
3. 放射性辐射的电磁光，如以光速传播的α、β和γ粒子流

电磁

电磁铁

电磁现象存在于由直线导体组成的多个匝的电流导体线圈中。当没有电流时，线圈不会有任何作用。当有电流时，线圈会产生磁场，就像磁铁的磁场一样。因此，*电流导体线圈被称为电磁铁*。*电磁铁有两个极，即北极和南极，对应于电流的极性。*北极是正极，南极是负极。*电磁铁有一个磁场，由从北极到南极的磁力线组成*

当线圈导电时，它会产生磁场，由以下公式计算：

B = L I

对上述等式求导

${\frac {dB}{dt}}={\frac {dLI}{dt}}=I{\frac {dL}{dt}}+L{\frac {dI}{dt}}=L{\frac {dI}{dt}}$ .

电流的变化会产生磁场变化，这会在线圈上产生电压，该电压具有与产生磁场的电流极性相同的极性

$V_{L}=L{\frac {dI}{dt}}={\frac {dB}{dt}}$

电磁感应

当线圈导电时，线圈会在线圈上产生磁场。反过来，这个磁场在线圈的匝数上产生磁场，称为磁通量，用 Φ 表示，由以下公式计算：

Φ = B N

对上述等式求导

${\frac {d\phi }{dt}}={\frac {dNB}{dt}}=B{\frac {dN}{dt}}+N{\frac {dB}{dt}}=N{\frac {dB}{dt}}$

线圈上磁场的变化会产生线圈匝数上的磁通量变化，从而产生感应电压，该电压具有与产生磁场的电流极性相反的极性

-ξ = $N{\frac {dB}{dt}}={\frac {d\phi }{dt}}$

永久电磁铁

永久电磁铁可以通过将一个磁性导体物体完全放置在电磁铁线圈的匝数内来制成。当断开电流或将物体从电磁铁线圈中取出时，永久电磁铁仍然具有其磁场。因此，该物体被称为永久电磁铁

总结

1. 当直线导体多个匝的线圈导电时，线圈会产生磁场
2. 电流的变化会产生磁场变化和电压，该电压具有与产生磁场的电流相同的极性
3. 线圈匝数上磁场的变化会产生感应电压，该电压具有与产生磁场的电流极性相反的极性

电磁波

电磁波是由两个相互垂直的波，即电波和磁波组成的波。

当有电场使静止电子进行直线运动时，该力被称为安培力，由以下公式计算：

F = E Q .

安培力会产生电场 E

$E={\frac {F}{Q}}$

当磁力使运动中的电子沿垂直于其初始运动方向的直线运动时，这种力被称为洛伦兹力。

F = B Q v .

洛伦兹力会产生磁场。

$B={\frac {F}{Qv}}$

安培力和洛伦兹力叠加后会产生电磁力，该力包含两个垂直的场：电场和磁场。

F = E Q + B Q v = Q (E + B v)

1. 一般来说，当存在运动的电子和磁场变化时，就会产生电磁波。
2. 所有电磁波在空间中以光速传播。 V = C = λ f
3. 由于所有电磁波的传播速度都等于光速，因此只要知道其中一个参数，就可以计算出另一个参数。

$\lambda ={\frac {C}{f}}$

$f={\frac {C}{\lambda }}$

参考资料

• []