电现象

**電現象**（electrical phenomena）是關於電的物理現象，例如人類熟知的閃電就是自然界中的一種放電現象。此外，隨著電學的發展，人們還認識到了摩擦起電、靜電感應、電磁感應、壓電效應等各種電現象。

## 起電現象

### 摩擦起電

早在公元前五世紀，古希臘哲學家泰勒斯發現用絲綢或法蘭絨摩擦琥珀後，能夠吸引輕小物體的「現象」，因此希臘語的 ελεκτρον（琥珀）就是英語中的「電」的詞源。公元一世紀，東漢的王充在《論衡》中記載「頓牟掇芥」。頓牟就是琥珀，意思是當琥珀經摩擦後，即能吸引像草芥一類的輕小物體。

這一現象實際上包括兩個方面：

1. 「摩擦起電」，是通過摩擦的方式使得物體帶上電荷的物理現象。摩擦起電的步驟，是使用兩種不同的絕緣體相互摩擦，使得它們的最外層電子得到足夠的能量發生轉移，摩擦起電後兩絕緣體必帶等量異性電。
2. 「靜電吸附」，是當帶靜電的物體靠近微小的不帶靜電的物體時，微小物體表面的自由電荷發生轉移，感應出與帶靜電物體相反的電性，而被吸引貼附於帶靜電物體上。利用靜電吸引輕小物體的原理，可以達到吸附工業粉塵的效果。

### 靜電感應

電學中的靜電感應是指導體中的電荷在外電場的作用下在導體中重新分布的現象，由英國科學家約翰・坎通和瑞典科學家約翰・卡爾・維爾克分別在 1753 年和 1762 年發現。

### 靜電屏蔽

靜電屏蔽現象是指對於一個接地的空腔導體，外接電場不會影響腔內的物體，腔內帶電體的電場也不會影響腔外的物體。靜電屏蔽的應用很廣泛，例如電子儀器外的金屬網罩、電纜外層包裹的金屬皮等都是用於防止外部電場對內部的影響。需要注意，如果外部的電場是交變電場，則靜電屏蔽的條件不再成立，另見電磁屏蔽。

## 放電現象

### 人體放電

靜電放電指靜電的正電荷或是負電荷逐漸累積，與周圍環境產生電位差，經由放電路徑而產生的電荷在不同電位之間移轉的現象。西元三世紀，晉朝的張華在《博物志》中記載：「今人梳頭，解著衣，有隨梳解結，有光者，亦有吒聲」。這是指頭髮因摩擦起電，在放電時發出的閃光和劈啪之聲。

### 大氣放電

閃電是人類熟知的放電現象，在放電過程中伴隨著雷聲，合稱為雷電現象。在夏季較為常見，在冬季下雪時也可能發生，即雷雪，但是發生機會相當微小。特殊情況下，雷暴天氣中還會出現球狀閃電等現象。

中高層大氣放電是發生在中高層大氣的特殊放電現象，與對流層閃電較爲不同，屬於瞬態發光事件，包括紅色精靈、藍色噴流、巨大噴流以及淘氣精靈等。

* 紅色精靈（Red sprites）通常成簇發生在離地面 30～90 公里的高空（中氣層），呈紅橙色，下部為卷鬚狀，上部則有弧形枝狀結構，有時其頂端還會出現淡紅光暈。1989 年 7 月 6 日，明尼蘇達大學的科學家首次拍攝到紅色精靈，其後在世界各地都觀察到了這種現象。紅色精靈被認為是很多高海拔飛行器無端故障的元兇。
* 藍色噴流（Blue jets）通常呈細錐形，從積雨雲的頂端一直延伸到離地面 40～50 公里的電離層。藍色噴流在 1989 年 10 月 21 日由一艘經過澳大利亞上空的太空梭初次觀測到。至 2007 年為止，學界只有不到 100 張關於藍色噴流的照片。這些照片絕大多數都是在 1994 年阿拉斯加大學對紅色精靈的一次研究中拍攝的。

### 電暈放電

電暈放電是由於電場強度過大，導致非導電介質被擊穿，而形成的放電現象。尖端放電為電暈放電的一種，當導體尖端周圍的空氣被導體產生的電場電離時，就會發生該物理現象。1752 年美國科學家班傑明・富蘭克林利用尖端放電的現象，發明了避雷針。

汽車靜電天線的工作原理就是通過其內部的金屬導線將車內靜電傳導到天線上，再通過空氣或者地面傳到大自然，達到消除車內靜電的目的。

### 弧放電

弧放電是由於電場過強，通常狀態下的絕緣介質（例如空氣）發生電擊穿而持續形成電漿體，使得電流通過的現象。當通電的高電壓電路出現導體與導體的分開時，也會出現電弧 。1808 年漢弗里・戴維利用此一現象發明了弧光燈。

19 世紀 50 年代，德國物理學家尤利烏斯・普呂克將一支空氣含量萬分之一的玻璃管兩端裝上兩根白金絲，並在兩電極之間通上高壓電，觀察到了輝光放電現象，並且發現，輝光是在帶負電的陰極附近出現的。1858 年，普呂克指出富蘭克林的猜測是錯誤的 —— 即電荷是從陰極發射到陽極而不是相反。

## 電傳導

### 導體

電傳導是指導體內，載電荷的粒子的運動，形成了電流。這運動可能是因為感受到電場的作用而產生的，也可能是因為載子分佈的不均勻引發的擴散機制的結果。常見的導體有金屬、電解質溶液等。

1753 年，義大利物理學家喬凡尼・貝卡立亞（Giovanni Beccaria）在研究物質的導電性質時，在電路裏加裝了盛滿了水的玻璃管，並發現玻璃管的截面面積越大，電流強度越大。

### 絕緣體

在絕緣體中，由於價帶電子被緊密的束縛在其原子周圍，電荷無法在其內部自由流動，具有很小的電導率，因此可以用來支撐或分離各個電導體，不讓電流流過。玻璃，紙或聚四氟乙烯等材料都是非常好的電絕緣體。

介電現象是當絕緣材料被施加電壓後，在絕緣體內部產生正、負電荷的現象。這種可被電極化的絕緣體被稱為介電質。介電質的用途相當廣泛，由於其電傳導能力很低，又有很好的介電強度（dielectric strength），所以可以用來製造電絕緣體；另外介電質可被高度電極化，是優良的電容器材料。某些介電質存在自發的電極化現象，並且能夠在外加電場的作用下可以被反轉，被稱為鐵電性。鐵電性物質在電極反轉的過程中還存在介電遲滯現象。

### 半導體

半導體材料的導電性可受控制，其電傳導能力介於絕緣體和導體之間。如熱敏電阻對溫度敏感，在不同的溫度下表現會出不同的電阻值。第一個 NTC 熱敏電阻是法拉第在 1833 年研究硫化銀的半導體特性時發現的。

### 超導現象

1911 年春，荷蘭物理學家海克・卡末林・昂內斯在用液氦將汞的溫度降到 4.15 K 時，發現汞的電阻降為零，他把這種現象稱為超導現象，並因此而獲得諾貝爾物理學獎。此外，超導體還具有完全抗磁性，稱之為邁斯納效應。

2015 年，物理學者發現，硫化氫在極度高壓的環境下 (至少 150GPa，也就是約 150 萬標準大氣壓)，約於溫度 203K （-70 °C）時會發生超導相變，是目前已知最高溫度的超導體。非常有趣的是，硫化氫屬於傳統 BCS 超導體，這一發現也重新開拓了傳統超導體的新領域。

## 電磁現象

1820 年，漢斯・奧斯特在課堂做實驗時意外發現，電流能夠使磁針發生偏轉，演示出電流周圍會生成磁場，即電流的磁效應。1825 年，英國人威廉・思特金利用這一現象，將通有電流的金屬線纏繞在絕緣的棒上，發明了電磁鐵。

### 電磁感應

電磁感應現象是指導體在磁場中運動，或導體處在變化的磁場中，會產生電動勢的物理現象，是發電機、感應馬達、變壓器等許多電力設備的原理和基礎。1831 年麥可・法拉第通過實驗發現，封閉電路中感應電動勢的大小，等於穿過這一電路磁通量的變化率，被稱為法拉第電磁感應定律。

1834 年德國物理學家海因里希・楞次發現由於磁通量的改變而產生的感應電流，其方向為抵抗磁通量改變的方向，被稱為楞次定律。楞次定律對法拉第電磁感應定律做了補充，指出電感是當通過載流迴路的電流發生改變時，會出現電動勢來抵抗電流的改變。術語「電感」是 1886 年由奧利弗・赫維賽德命名，分為自感和互感。通常自感是以字母「L」標記，是為了紀念物理學家海因里希・楞次的貢獻；互感是以字母「M」標記，是其英文（Mutual Inductance）的第一個字母。

渦電流現象是由法國物理學家萊昂・傅科在 1851 年發現，是由電磁感應效應所產生。當一個運動的磁場與金屬導體相交，或是由運動的金屬導體與磁場垂直交會時，會產生一個在導體內循環的電流。磁場變化越快，感應電動勢就越大，渦流就越強。該原理可以應用在無損檢測方面，如飛機機身與零件的表面及近表面的檢測；也可以應用在電磁製動方面，如電磁渦流制動器。

### 霍爾效應

1879 年，埃德溫・赫伯特・霍爾在馬里蘭州約翰霍普金斯大學攻讀博士時發現當固體導體放置在一個磁場內，且有電流通過時，導體內的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊，繼而產生電壓的現像，被稱之為霍爾效應。

### 大地電流

大地電流是指在地下或海洋中流通電流的現象，主要是因自然因素和人類活動的雙重作用而產生，這些不連續的電流以較為複雜的形式相互作用。大地電流具有極低頻，在地球表面大範圍地流動。

1862 年 9 月，科學家在慕尼黑的阿爾普斯（Munich Alps）進行實驗，觀測到的地球電流主要是因為地磁場外層部分的強度改變產生了電磁感應，而地磁場強度的改變又歸因於太陽風和磁層（英語：Magnetosphere）的相互作用或者是電離層中太陽的輻射效應。大地電流的電勢差可以在地球上不同地點之間測量到，進而可以通過計算得到大地電流的大小和方向以及地球的電導。大地電流具有白晝的特性，電流矢量的方向基本是朝向太陽的。任意時刻，大地電流在地球向陽的一個半表面上流動。在白天，大地電流趨向赤道移動；在夜晚，則趨向兩極移動。

### 電磁干擾

電子元器件可能會受到對外界電磁波的影響，而不能正常工作，這種現象稱為電磁干擾。例如，電視螢光屏上常見的「雪花」，就是電視接受到的訊號受到干擾的表現。電子設備為了不干擾其它設備，也為了不受其它設備的影響，需要有良好的電磁兼容性。

## 與機械能作用

### 庫倫定律

1767 年，約瑟夫・普利斯特里發現，在帶電金屬容器的內部，電作用力為零，因而猜測帶電物體作用於彼此之間的吸引力與萬有引力都遵守相同的規律。1785 年，法國物理學家查爾斯・庫侖用扭秤（torsion balance）做實驗證實了普利斯特里的猜測，即：兩個帶電物體之間的作用力與距離平方成反比，與電量乘積成正比，作用力的方向在它們的連線上，而且同號電荷相斥，異號電荷相吸的現象，被稱為庫侖定律。

### 壓電效應

壓電效應是電介質材料中一種機械能與電能互換的現象，由皮埃爾・居里和雅克・居里兄弟於 1880 年發現。1881 年，他們通過實驗驗證了逆壓電效應，並得出了正逆壓電常數。

### 壓阻效應

壓阻效應是用來描述材料在受到機械式應力下所產生的電阻變化。不同於壓電效應，壓阻效應只產生阻抗變化，並不會產生電荷。1856 年，凱爾文 (Lord Kelvin) 第一次發現金屬的阻抗在施加機械性負荷時會產生改變。1954 年，Smith 第一次在矽及鍺中發現高度的壓阻效應。

### 別費爾德 - 布朗效應

別費爾德 - 布朗效應是指，當一對有特定幾何結構的電極相對放置，浸入絕緣介質後，再加上合適的電壓，一種試圖移動裝置的力就會產生，是由美國年輕物理學家布朗（Thomas Townsend Brown）在 1921 年的實驗中發現。有多種理論曾試圖解釋該效應，但都無法得到公認，直到《流言終結者》第 68 期刊文證明這種效應實際上是「空氣被高壓金屬絲電離，然後被鋁箔吸引下降」所產生的空氣推力，而並非改變引力數值。這種裝置在真空中無法產生抵消引力的作用力，因為沒有空氣作為動力媒介。

## 電離現象

電漿體的概念最早由美國著名的科學家 Langmuir 在 1920 年提出。通俗的說，電漿體就是電離的氣體。比較嚴格的定義是：電漿體是由電子、陽離子和中性粒子組成的整體上呈電中性的物質集合。

## 熱電效應

熱電效應是一個由溫差產生電壓的直接轉換，且反之亦然。簡單的放置一個熱電裝置，當他們的兩端有溫差時會產生一個電壓，而當一個電壓施加於其上，他也會產生一個溫差。一般來說，熱電效應包括塞貝克效應、帕爾帖效應與湯姆孫效應三個分別各自定義過的效應。

此外，還有一個電現象叫焦耳加熱，是指當一個電壓通過一個阻抗物質上，即會產生熱。帕爾帖 - 塞貝克效應與湯姆孫效應是可逆的，但是焦耳加熱不可逆。

## 光電現象

### 光電效應

1887 年，德國物理學者海因里希・赫茲發現，當紫外線照射到金屬電極上時，會產生放電現象，被稱為光電效應。1905 年，阿爾伯特・愛因斯坦給出了光電效應實驗數據的理論解釋，推動了量子力學的誕生，因此獲得了 1921 年的諾貝爾物理學獎。要發生光電效應，光的頻率必須超過金屬的特徵頻率；而從光電效應中發射出來的電子稱為「光電子」。

內光電效應是光電效應的一種，主要由於光量子作用，引發物質電化學性質變化。內光電效應又可分為光電導效應和光伏效應。其中光電導效應是當入射光子射入到半導體表面時，半導體吸收入射光子產生電子空穴對，使其自生電導增大的現象。而光生伏打效應是指當一定波長的光照射非均勻半導體（如 PN 結），在自建場的作用下，半導體內部產生光電壓的現象，是由法國物理學家亞歷山大・愛德蒙・貝克勒爾（Alexandre Edmond Becquerel）於 1839 年發現的，。

### 電致發光

電致發光是指電流通過物質時或物質處於強電場下發光的現象。會產生電致發光的材料有摻雜了銅和銀的硫化鋅、藍色鑽石（含硼）、砷化鎵等，已有的應用為電致發光顯示器（ELD）。發光二極體（LED）是一種利用電致發光效應發光的半導體電子元件，具有效率高、壽命長、不易破損、反應速度快、可靠性高等傳統光源不及的優點。

## 與生物體作用

### 觸電

當較大的電流經過人體時，會感受到疼痛甚至受到傷害，稱之為觸電。廣義上講，被雷電擊中（遭雷擊）也屬於觸電。觸電的損害主要在於加熱身體組織以及干擾神經控制（尤其是對心臟的控制）。

根據電流強度不同，觸電產生的感覺或傷害等級也不同：對 5mA 的電流，僅有電擊感覺，一般沒有傷害；對 10mA 的電流，肌肉會發生纖維性抽搐， 可能無法自行鬆脫電線；對 100mA 的電流，接觸幾秒，便足以致命；對 1A 的電流，身體組織因過熱而嚴重燒傷。

此外，觸電產生的傷害還與接觸時間的長短有關係。例如靜電放電造成的觸電，雖然有高電壓和大電流，但由於接觸時間短，一般只會造成短暫的刺痛感，不一定會對人造成傷害。

### 生物電

有些生物（像鯊魚）能夠探測和響應電場的改變，這種能力稱為電覺（electroreception）。還有些生物（如電鰻）能夠自身製造高壓電，用來攻擊對方或防衛自己。

1791 年，路易吉・伽伐尼發現，電流會使青蛙肌肉會顫動，因此創建了生物電學術領域。現在人們已經知道，所有動物沿著牠們的細胞膜以電壓搏動，稱為動作電位，來傳達信息。動作電位的功能包括神經系統的神經元與肌肉之間的信息傳遞。電擊會刺激這系統，使肌肉收縮。此外，動作電位也負責協調某些植物的功能。

## 參見

* 電
* 電學
* 電磁學

## 參考文獻