电荷与电荷运动

所有的电学原理都依赖于电荷的概念，或者简单地说，电荷。电荷的概念是建立在这样的观察基础上的:当一些物体靠近时，它们对另一个物体施加非引力。和重力一样，这种力作用于一段距离;但与引力不同的是，物体之间要么相互吸引，要么相互排斥(引力只会吸引质量)。这个力也比重力强得多。我们把这种力解释为这些物体带有电荷的结果。电力吸引或排斥物体的能力可以通过理论来解释，即两个物体都带正电荷和负电荷相同电荷(都带正电或都带负电)会相互排斥，而两个物体相互排斥相反电荷会相互吸引

注意:我们可以很容易地观察到这些电荷的作用。用气球在附近的猫身上摩擦会产生负电荷(如果没有猫，你可以用气球在自己的头发上摩擦)。然后气球就可以粘在墙上，不带电。气球和壁面的电荷是相对的;所以它们有吸引力。

在电荷之间产生这种力的实际机制叫做电场。为了与电一起工作，完全理解电场并不是至关重要的，但右边的链接提供了整体想法的简要描述。你可能想在某个时候读它，因为我们会在以后的练习中偶尔提到电场。

以上的观察和理论引出一个有用的材料电学观点。如图1所示，我们认为物体是由带正电荷或带负电荷的粒子组成的。与该物体相关的总电荷是由于体内正电荷和负电荷粒子的不平衡。如果带正电的粒子比带负电的粒子多，这个物体就会“带正电”。如果负电荷比正电荷多，物体就会“带负电荷”。

随着时间的推移，我们对粒子行为的认识和理解变得更加精细。我们现在认为材料是由原子组成的，原子又由更基本的粒子组成。这些粒子中最重要的(对我们来说很重要)是质子和电子。质子带正电荷，而电子带负电荷^1）．

质子(和中子)在原子核中结合在一起。它们彼此不容易分离^2）．然而，电子在原子核周围更松散地组织成一种“云”。图2给出了大致的概念。

事实证明，我们可以利用电荷施加的力将电子从一个原子移动到另一个原子(质子与原子核绑定得太紧，无法使它们移动)。如果我们把另一个电子放在图2的原子附近，如图3所示;这个电子的负电荷会排斥其他电子。如果我们坚持这一点，我们可以迫使我们的新电子进入围绕原子核的电子云，并迫使原子先前的一个电子离开电子云。被转移的电子通常会加入一个相邻的原子，导致该原子的一个电子移走。通过用这种方法将电子从一个原子移动到另一个原子，我们可以使“电荷”穿过材料。

图4说明了电荷通过电线传输时的过程。我们将电子放入导线的一端(使用电子源，如电池)。这些电子取代了其他电子。这种效应沿着导线向下传播，电子从另一边出来。注意，我们放入导线一端的电子与离开导线另一端的电子是不同的;然而，进入的电子数量必须与离开的电子数量相平衡，这样我们就不会在导线中“积累”任何电荷。这种情况类似于流动的水通过管道——水从一端流入，从另一端流出，但管道中的水量保持不变。

在电路中，我们的主要目标是移动电子(或电荷)，如图4所示，以便完成某些任务。由于电子是电荷运动的基础，电荷的数量就由电子来定义。电荷的单位是库仑(简写为C)， 1库仑相当于6.24 × 10的电荷大小¹⁸质子或电子^3）．

在图4中，从一个原子转移到另一个原子的电子的运动将会遇到一些阻力。需要的能量^4）使电子离开其原子。对电子运动的反对程度是材料的一种属性。有些材料能使其电子轻松地从一个原子移动到另一个原子，这些材料被称为导体。其他材料有紧紧抓住电子的原子，这些原子被称为绝缘体。在导体中，通过材料移动电荷只需要很少的能量。另一方面，绝缘体需要大量的能量才能使电荷通过。

在材料中移动电子的困难程度用电阻来表示。简单地说，电阻量化了导致电子以一定速度通过材料所需要的能量。绝缘体的电阻非常高(它们需要大量的能量来使电子通过)，而导体的电阻很低(移动电子只需要很少的能量)。铜、银和金等材料的电阻很低，而陶瓷和橡胶等材料的电阻很高。

• 相邻放置的电荷在它们之间产生力。如果电荷相同，力就会使它们相互排斥。如果电荷不同，力就会把它们吸引到一起。
• 物质中的电荷由质子和电子携带。质子带正电荷，电子带负电荷。质子不易移动，所以我们通过移动电子在电路中转移电荷。
• 当电荷通过材料转移时，电子在材料内从一个原子移动到另一个原子。如果我们通过导线传递电荷，我们放入导线一端的电子不一定与我们从导线另一端得到的电子相同。
• 电阻是一种特性，它告诉我们电荷在材料中移动有多容易。低电阻意味着移动电荷通过材料所需的能量很小，而高电阻意味着迫使电荷通过材料所需的能量很大。材料通常根据它们的阻力来分类;绝缘体电阻高，导体电阻低。
• 作为电气工程师，我们主要关心的是移动电荷或能量转移——我们通常移动电能以完成有用的工作，如转动电机或点亮灯泡。直接用电荷来处理能量转移是很困难的，所以我们引入了两个与电能直接相关的参数:电压和电流。这些将在下一个项目中讨论。