電氣

**電**（electricity）是靜止或移動的電荷（帶電粒子）所產生的物理現象，具有能量，是自然界四種基本交互作用之一。在大自然裡，電的機制給出了很多眾所熟知的效應，例如閃電、摩擦起電、靜電感應，其他還有放電、電熱等電現象。

很久以前，就有許多術士就對此進行過研究，但結果乏善可陳。從 18 世紀開始，電學取得了重要的發展和突破，如：電荷守恆定律（1752）、庫侖定律（1785）、伏打電池（1800）、安培定律（1826）、歐姆定律（1827）、電磁感應（1831）、克希荷夫電路定律（1845）、戴維南定理（1883）、無線電波（1888）、電子的發現（1897）等。19 世紀末以來，電機工程學的快速發展帶給了工業和社會巨大的改變，真空三極體的發明推動電子時代急速向前推進。二十世紀中葉，半導體科技的崛起，出現了電晶體和積體電路。

電作為能源的一種供給方式，有許多優點。這意味著電的用途幾乎是無可限量。例如，交通、取暖、照明、電訊、計算等等，都必須以電為主要能源。家用電器改變了人們的生活方式。進入二十一世紀，現代工業社會的骨幹仍是電能。但是，電在給人們帶來方便的同時，也存在著觸電危險，所以一定掌握安全常識、遵循相關法規，安全用電。

## 歷史

### 古代發現

早在對於電有任何具體認知之前，人們就已經知道發電魚（electric fish）會發射電擊。根據西元前 2750 年撰寫的古埃及書籍，這些魚被稱為「尼羅河的雷使者」，是所有其它魚的保護者。大約兩千五百年之後，根據紀錄，希臘、羅馬、後來的阿拉伯，在這些地方的自然學者、醫生等等，對於電鯰和地中海的電鰩所散發出的強烈電擊仍舊感到極為困惑。古代羅馬醫生斯克力邦尼・拉格斯（Scribonius Largus）在著作《醫學精選》（Compositiones Medicae）裏建議，患有像痛風或頭疼一類病痛的病人去觸摸電鰩，或許強勁的電擊會治癒他們的疾病。

阿拉伯人可能是最先了解閃電本質的族群。他們也可能比其它族群都先找出電的其它來源。早於 15 世紀以前，阿拉伯人就創建了「閃電」的阿拉伯字 「raad」，並將這字用來稱呼電鰩。

在地中海區域的古老文化裏，很早就有文字記載，將琥珀棒與貓毛摩擦後，會吸引羽毛一類的物質。公元前 600 年左右，希臘的哲學家泰勒斯做了一系列關於靜電的觀察，從這些觀察中，他推論摩擦會使琥珀變得磁性化。這與像磁鐵礦一類礦石的性質大不相同；磁鐵礦天然地具有磁性。泰勒斯的見解並不正確；但後來，科學會證實磁與電之間的密切關係。

幾千年來，電只不過是學者們好奇的智慧玩意兒，直到 1600 年，由於威廉・吉爾伯特的嚴謹治學態度，才開始對於電與磁的現象出現系統性研究。吉爾伯特是英國女王伊莉莎白一世的皇家醫生，他對於電和磁特別有興趣，撰寫了第一本闡述電和磁的科學著作《論磁石》。這是一本具有現代科學精神的書籍，著重於從實驗結果論述。吉爾伯特指出，琥珀不是唯一可以經過摩擦產生靜電的物質，鑽石、藍寶石、玻璃等等，也都可以演示出同樣的電學性質，在這裡，他成功地擊破了琥珀的吸引力是其內秉性質這持續了 2000 年的錯誤觀念。吉爾伯特製成的靜電驗電器可以敏銳的探測靜電電荷。在之後的一個世紀，這是最優良的探測靜電電荷的儀器。先前，義大利數學家和醫生吉羅拉莫・卡爾達諾列出一些電現象與磁現象的不同之處。從卡爾達諾的結果，吉爾伯特得到很多啟發，他提出更多分歧之處：帶電物質會吸引所有其它物質，而磁石只會吸引鐵器；琥珀需要磨擦才能產生電性，而磁石不需要任何動作；磁石會將物體按照某定向排列，而帶電物質則只會吸引其它物質。。吉爾伯特創建了新拉丁術語「electrica」（類似琥珀，從「ήλεκτρον」，「elektron」，希臘文的「琥珀」），意思為像琥珀的吸引方式一般的那些物質。由於他在電學的眾多貢獻，吉爾伯特被後人尊稱為「電學之父」。後來，從「electricus」又衍生了英文字「electric」和「electricity」，這兩個英文字最先出現於托馬斯・布朗的 1646 年著作《世俗謬論》（Pseudodoxia Epidemica，英文書名《Vulgar Errors》）。之後，科學家奧托・馮・格里克、羅伯特・波義耳、史蒂芬・葛雷（Stephen Gray） 、查理・杜費（Charles du Fay） 等等，都做了更進一步的研究。

### 十八世紀

1752 年 6 月，自學有成的班傑明・富蘭克林做了一個古今聞名的風箏實驗；他與兒子在雷雨中放風箏，將空中的閃電吸引過來，在風箏線另一端綑綁的一隻金屬鑰匙與富蘭克林的手之間，產生一系列的電花，他同時感受到麻電的滋味，這證實了閃電是電的一種現象。富蘭克林又做實驗發現了電荷守恆定律，即在任何孤立系統裏，總電量不變。

1767 年，約瑟夫・普利斯特里做實驗發現，在帶電金屬容器的內部，電作用力為零。從這實驗結果，他準確猜測，帶電物體作用於彼此之間的吸引力與萬有引力都遵守同樣的定律。1785 年，查爾斯・庫侖用扭秤（torsion balance）做實驗證實了普利斯特里的猜測，兩個帶電物體施加於彼此之間的作用力與距離成平方反比。他奠定了靜電的基本定律，即庫侖定律。於此，電的研究已提升成為一種精密科學。

1791 年，路易吉・伽伐尼發現，假設將青蛙與靜電發電機連結成閉合電路，然後開啟靜電發電機，則青蛙肌肉會顫動。這實驗演示出，神經細胞倚賴電的媒介將信號傳達到肌肉。他因此創建了生物電學術領域。1800 年，亞歷山卓・伏打伯爵將銅片和鋅片浸於食鹽水中，並接上導線，製成了第一個電池：伏打電池，堪稱是現代電池的元祖。伏打電池給予科學家一種比靜電發電機更穩定的電源，能夠連續不斷的供給電流。

### 十九世紀

1820 年，漢斯・奧斯特在課堂做實驗時意外發現，電流能夠偏轉指南針的方向，演示出電流周圍會生成磁場，即電流的磁效應。稍後，安德烈 - 瑪麗・安培對於這現象做定量描述，給出安培力定律與安培定律。他們兩個人的研究成果成功地將電與磁現象連結在一起，共稱為「電磁現象」。應用這理論，可以製作出來磁性超強勁於天然磁石的電磁鐵。1827 年，格奧爾格・歐姆發展出一套精緻的數學理論來分析電路。

1831 年，麥可・法拉第與約瑟・亨利分別獨立地發現了電磁感應──磁場的變化可以生成電場。1865 年，詹姆斯・馬克士威將電磁學加以整合，提出馬克士威方程組，並且推導出電磁波方程式。由於他計算出來的電磁波速度與測量到的光速相等，他大膽預測光波就是電磁波。1887 年，海因里希・赫茲成功製成並接收到馬克士威所描述的電磁波。馬克士威將電學、磁學與光學統合成一種理論。

1859 年，德國物理學家尤利烏斯・普呂克將真空管兩端的電極之間通上高壓電，製成陰極射線。物理學者發現，陰極射線是以直線傳播，但其傳播方向會被磁場偏轉。陰極射線具有可測量的動量與能量。1897 年，約瑟夫・湯姆森做實驗證實，陰極射線是由帶負電的粒子組成，稱為電子，因此他發現了電子。

十九世紀早期見證了電磁學快速蓬勃，如火如荼的演進。到了後期，應用電磁學的先進知識，電機工程學開始了一段突破性的發展。例如，亞歷山大・貝爾發明了電話、湯瑪斯・愛迪生設計出優良的白熾燈和直流電力系統、尼古拉・特斯拉發展完成感應馬達和發現交流電、卡爾・布勞恩改良成功裝置在顯示器或電視機裏的陰極射線管。由於這些與其他眾多發明家所做出的貢獻，電已經成為現代生活的必需工具，更是第二次工業革命的主要動力。

### 二十世紀

德國物理學者海因里希・赫茲於 1887 年發現，照射紫外線於電極可以幫助產生更多電花。這就是光電效應所產生的現象。包括約瑟夫・湯姆森、菲利普・萊納德在內的物理學者們，對於光電效應的做了很多理論研究與實驗研究。1905 年，阿爾伯特・愛因斯坦發表論文對於光電效應的眾多實驗數據給出解釋。愛因斯坦主張，光束是由一群離散的量子（現稱為光子）組成，而不是連續性波動。假若光子的頻率大於某極限頻率，則這光子擁有足夠能量來使得金屬表面的電子逃逸，造成光電效應。這個重要發現展開了量子物理的大門。

1901 年，古列爾莫・馬可尼從英國發射無線電訊號，越過大西洋，傳送至加拿大。5 年後，「無線電之父」李・德富雷斯特研究出真空三極體。這重大發明推動電子時代急速向前推進，使得無線電與長途電話科技不再是遙不可及的夢想。到了 1940、1950 年代，固態元件開始出現在越來越多個場合，這標記著真空管科技的快速沒落與半導體科技的崛起。1947 年，貝爾實驗室的威廉・肖克利、約翰・巴丁和沃爾特・布喇頓工作團隊發明了電晶體。這是二十世紀最重要的發明之一，凡是電子器具大多都須要用到電晶體。傑克・基爾比於 1958 年和羅伯特・諾伊斯於 1959 年分別獨立發明積體電路。現今，大量電晶體、二極體、電阻器、電容器等等電子元件都可以被裝配在單獨的積體電路裏。

## 電學基本概念

### 靜電學

靜電學研究「靜止電荷」的特性及規律。電荷是某些次原子粒子（帶電粒子）的內秉性質，分為正電荷與負電荷兩種。電荷量是電荷的數量，單位是庫侖。正電荷的電荷量大於零，負電荷的電荷量小於零。根據常規，電子帶有負電荷，電荷量大約為 −1.6022×10−19 庫侖；質子帶有正電荷，電荷量為 +1.6022×10−19 庫侖。對應於每一個帶電粒子，其反粒子擁有同數量的異電性電荷。電荷守恆定律表明，電荷量是個守恆量；在一個孤立系統內，不論發生什麼變化，總電荷量都會保持不變。。

宏觀而言，帶有電荷的物體稱為「帶電物體」。假若兩個物體都帶有正電荷或都帶有負電荷，則稱這兩個物體「同電性」，否則稱為「異電性」。同電性相斥，異電性相吸。做一個簡單實驗，先將毛布摩擦玻璃棒，使玻璃棒充電（帶有電荷），然後再將玻璃棒分別接觸兩個用線繩懸掛在半空中的輕球 A、B ，這時可以觀察到，這兩個輕球 A 與 B 會相互排斥，因為它們都帶有同電性電荷。又將另一塊毛布摩擦琥珀棒，使琥珀棒充電，然後再將琥珀棒分別接觸另外兩個用線繩懸掛在半空中的輕球 C、D ，這時可以觀察到，輕球 C 與 D 也會相互排斥，因為它們也都帶有同電性電荷。但是，輕球 A 與 C 會相互吸引，因為它們分別帶有異電性電荷。假若一個帶有電荷的物體吸收到同樣數量的異電性電荷，則此物體會變為電中性，不會被任何帶有電荷的物體吸引或排斥。。

這些輕球所感受到的排斥力或吸引力是靜電力。靜電力出自於電荷：兩個帶電物體會相互施加靜電力於對方。靜電力只會作用於帶電物體。庫侖定律對於靜電力作定量描述：靜電力分別與兩個帶電物體的電荷量成正比，與兩個帶電物體之間的距離成平方反比。電荷可以用很多種方法來測量。早期，科學家用金箔驗電器來測量電荷。現在，在課堂上示範，常會使用這方法。但是，大多數實際工作狀況會使用靜電計（electrometer）來測量電荷。

電荷會在周圍空間生成電場。電場被定義為單位電荷感受到的電場力，是電位的負梯度。電場可以用一組虛擬的的曲線來想像，在任意位置，曲線的方向跟電場的方向相同。這組曲線被稱為電場線。電場與離開源電荷的距離成平方反比，與源電荷成正比。在一個帶電體的四周，可以繪出一組曲線，其中每一條曲線都是由電位相等的點所構成的，稱為等勢線。等勢線與電場線以直角相交。等勢線平行於導體的表面。因為電場作用，正電荷會從電位高的位置移動到電位低的位置。

一個空心導體所帶有的電荷全都分佈於外表面。在導體的內部，電場等於零。這是法拉第籠的運作原理。導體殼會將內部孤立起來，不使受到外部的電場影響。假設在導體殼所包圍的空腔內部，嵌入了一些電荷，則導體殼內表面會被感應出電荷；導體殼部分的電場仍舊是零。任何介質都有一個能夠承受的最大極限電場。超過這極限，就會發生電擊穿，產生電弧。在大自然裏，最常見到的電擊穿是閃電。導體對於其附近的電場影響極大。特別是，在尖銳導體的附近，電場會變得非常強烈。避雷針的運作原理就是應用這簡單機制。

電位的正式定義為，單位電荷從無窮遠，經過任意路徑，緩慢地移動到該位置，所做的機械功。電位又稱為電位，是一個標量，其數值只具有相對意義，不具絕對意義，因此，電位的數值取決於電位為零的位置。在電位的正式定義裏，電位為零的位置是無窮遠。電位的度量單位是伏特（volt）。假設，將 1 庫侖的電荷（單位電荷）從無窮遠緩慢地移動到某位置，需要用到 1 焦耳的機械功，則這位置的電位為 1 伏特。這樣定義電位，雖然很正式，實際而言比較不容易使用。電壓是比較容易使用的概念；電壓定義為單位電荷從某初始位置緩慢地移動到某終止位置所需的能量。電場有一個特性，就是保守性：電荷從初始位置移動到終止位置，所需的能量與移動的路徑無關。因此，電壓是個唯一值。

為了實用目的，科學家時常會為電位設定一個共同參考點。這樣，可以方便地計算和比較其它位置的電位。對於物理理論研究，這參考點可以設定為無窮遠。對於電機工程學，比較有用的參考點是地球，即假定在地球表面的每一個地方，電位都相同。這地球參考點稱為接地。地球被假定為正電荷或負電荷的無窮源，因此，地球呈電中性，不能夠被充電。

### 電磁學

電與磁密切相關。電流會在其周圍生成磁場，這一現象可以用靜磁學基本定律安培定律來表述。這是由安培於 1826 年提出的，後來成為腦磁圖描記術的原理，使用超敏銳的超導量子干涉儀陣列來測量腦部的電流脈波所生成的磁場。處在變化磁通量中的導體，會產生電動勢，這現象稱為電磁感應。法拉第定律（1831 年）描述了感應電動勢的大小，而冷次定律（1834 年）則指出了電動勢或感應電流的方向。電磁感應是發電機、變壓器、電磁爐（感應加熱）等電器的工作原理。

古典電磁學以馬克士威方程組和勞侖茲力為基礎，主要研究電荷和電流的電磁場及其彼此的電磁交互作用。電磁力（勞侖茲力）是大自然四種基本力之一，光子則是傳遞電磁力的媒介。隨時間變化的電磁場會以波的形式離開源點向外傳播，形成電磁波，其物理性質可以用電磁波方程式作詳細描述。在自由空間裏，電磁波是一種以光速傳播的橫波，電磁波的電場與磁場彼此相互垂直，並且垂直於傳播方向。

在量子力學裏，電磁波的載體是光子，電磁波束是由很多光子組成。量子電動力學描述了光與物質間的交互作用。電磁波的波譜指電磁波的特徵頻率分布，頻率越高，光子能量越大，但普遍認為不會超過普朗克能量。

### 電化學

電化學主要是研究在溶液與電極之間的電子轉移。倚賴電子轉移的機制，化學反應可以用來產生電，相反地，電也可以用來驅動化學反應。這兩種功能具有廣泛用途。

電化學在電的研發中扮演重要腳色。從最初發明的伏打電堆，電化電池已經演變成為許多不同類型的電池，電鍍和電解池，鋁是以這種方式大批量產，許多便攜式設備都會使用可充電電池供電。

### 電壓

衡量單位電荷在靜電場中由於電位不同所產生的能量差的物理量，也稱做電位差，電壓的國際單位是伏特（Volt）。

### 電流

電荷的移動，稱為電流，電流強度通常以安培（Ampere）為度量單位。任何移動中的帶電粒子都可以形成電流；最常見的是電子。

按照歷史常規，電流的方向與正電荷的流動方向相同，即從電路的電位較高位置（高電壓）流動到電位較低位置（低電壓）；按照這流向定義的電流稱為常規電流。在電路裏，帶負電荷的電子的運動方向，與電流的方向相反。但是，依狀況不同，帶電粒子往不同方向的流動，或者同時往不同方向的流動，都可以形成實際電流。為了要給予科學家一個交通意見的共同語言，通常採用「正至負常規」。

電傳導指的是電流從物質的某位置移動到另一個位置。電傳導的行為隨著帶電粒子和物質的不同而變化。例如，金屬傳導是電子移動於金屬類的導體；電解傳導是離子移動於電解液。雖然帶電粒子本身移動的很慢，有時候平均漂移速度小於 1 毫米／秒，由於作用於粒子的電場的傳播速度接近於光速，電子信號仍舊能夠快速傳播。

在電機工程或家用電器領域裏，電流又分為直流（DC）及交流（AC）。這些術語意指電流怎樣隨著時間變化。直流是一種單向的流動，從電路的電位較高部分流到電位較低部分。電池生成的電流是直流。大多數電子元件的運作都需要直流。交流是多次反覆流動方向的電流。電流的主要形式為正弦波。隨著時間流易而改變，交流會在導體內來來回回的振盪，但內中涉及的電荷並沒有任何淨位移的動作。經過時間平均，交流的電流是零。與直流在穩態狀況時不同，交流會被電路內的電容器或電感器等等所影響。。

### 電阻

電阻是一個物體對於電流通過的阻礙能力，電阻的單位為歐姆（Ω，Ohm）。

### 電功率

電路的電功率指的是電路每單位時間傳輸的電能。如同機械功，電功率是作功的速率。採用國際單位制，電功率的單位是瓦特（Watt）。假若電路每秒傳輸 1 焦耳的電能，則電功率為 1 瓦特。

在直流電路裏，一個元件的電功率為通過此元件的電流乘以元件兩端的電壓。假若電流為 1 安培，電壓為 1 伏特，則電功率為 1 瓦特。

在交流電路裏，電流與電壓會隨著時間而改變。一個元件的瞬時功率是此元件在某特定時刻吸收的電功率，是通過此元件的瞬時電流乘以元件兩端的瞬時電壓。由於瞬時功率也會隨著時間而改變，很難做實際測量。比較容易測量的是平均功率；這是瞬時功率經過一個交流週期的平均值，等於表觀功率與功率因素的乘積。表觀功率是均方根電流與均方根電壓的乘積。功率因素是電流與電壓之間的相位差的餘弦；假若功率因素為 1，則稱這元件的負載為純電阻負載，在所有時間都會吸收電功率；假若功率因素為 0，則稱這元件的負載為純無功負載，吸收的電功率經過時間平均後為 0。

### 電力

### 電子

電子是一種帶有負電的次原子粒子，與中子和質子可以構成原子。

### 電路

在電路的閉合迴路內，為了滿足電荷守恆定律，從源點傳送出去的所有電荷都必須回到源點。電路裏的有許多種不同的電機元件，包括電阻器、電容器、開關、變壓器和電子元件等等。電子電路的主動元件，大多是半導體，通常會表現出非線性行為，必須用複分析來解析。最簡單的電機元件是線性的被動元件。雖然它們可能會暫時儲存能量，它們並不是能量源。對於任何刺激，它們會表現出線性響應。

電阻器是一種簡單的被動電機元件。顧名思義，電阻器阻礙電流的通過，以熱能的形式耗散其能量。歐姆定律是電路學的一個基本定律。這定律闡明，電阻器兩端的電壓與通過的電流成正比，其比例常數稱為電阻。甚至連導體都會有微小的電阻。金屬是導體。金屬線的電阻主要是因自由電子移動於金屬線所遭遇到的碰撞而產生。在適當的溫度值域和電流值域，大多數物質的電阻都會保持相當穩定。在這值域內，物質被稱為具有「歐姆性」。電阻的單位是歐姆（ohm），是因格奧爾格・歐姆而命名，標記為希臘字母 $\Omega $ 。對於 1 安培電流，1 歐姆的電阻會造成 1 伏特的電壓。

電容器是另一種常見的電機元件。它能夠儲存電荷，同時儲存電能於其電場。最簡單的電容器是由兩片平行金屬板與夾在其間的絕緣質或電介質所組成的。實用而言，為了要增加單位體積的表面面積，工程師會將薄金屬頁滾捲在一起。這樣，可以增加電容。電容的單位是法拉（Farad），是因麥可・法拉第而命名。假若電容器因為儲存了 1 庫侖的電荷而產生 1 伏特的電壓，則其電容為 1 法拉 。當連結電容器於電源時，剛開始會有電流出現，異性電荷會分別累積於兩片金屬板。但是，隨著電荷的累積，這電流會慢慢地減少，最終減為零。因此，電容器不會允許有穩定的電流；相反地，它會禁止電流的穩定流通。

電感器通常是一捲螺線管導體；它會因響應通過的電流而儲存能量於磁場。隨著電流的變化，螺線管內部的磁場也會變化，因電磁感應，會產生電壓於電感器的兩端。感應電壓與電流的時間變率成正比。其比例常數稱為電感。因約瑟・亨利而命名，電感的單位是亨利（Henry）。假若電感器因為其通過的電流以 1A/s 變化，而產生 1 伏特電壓，則其電感是 1 亨利。在某些方面，電感器與電容器的物理性質恰恰相反：電感器允許穩定的電流，抗拒隨時間流易而快速變化的電流。

## 電能

### 用途

電能被廣泛應用在動力、照明、冶金、化學、紡織、通信、廣播等各個領域，是科學技術發展、國民經濟飛躍的主要動力。

* **強電**一般指交流電電壓在 24V 以上。其主要用途有：
  * 電能轉化為光能：照明燈具、電視機
  * 電能轉化為熱能（電熱）：利用焦耳加熱（Joule heating）效應的電熱水器、取暖器。
  * 電能轉化為動能：馬達應用電磁原理，將電能轉化成機械能的形式，來驅動各種各樣的機械。一個固定不動的馬達，像絞車（winch），可以很容易地獲得能源。但是，移動的馬達，像電動車，必須隨身帶著像電池一類的能源裝備，或者用取得電能的滑動接觸，像集電弓。這要求限制了其行動範圍和工作性能。空調的冷凍循環是使用電動馬達推動一個壓縮機。電力也被用來推動公共運輸，包括純電動公交車和火車。
  * 電能轉化為聲波：音響設備
* **弱電**一般指直流電壓在 24V 以內。多使用於音頻線路、視頻線路、網絡線路、電話線路中。
  * 通信工程：電訊科技主要是依靠電來傳達資訊。十九世紀中期，自從威廉・庫克（William Cooke） 和查爾斯・惠斯通（ Charles Wheatstone） 展示出第一座具有商業潛力的電報機，隨著橫貫美國大陸電報系統（First Transcontinental Telegraph）的建立，以及橫貫大西洋電報系統（Transatlantic Telegraph Cable）的建立，從地球的這一端到地球的那一端，使用電報機制，只需要很短幾分鐘時間，人們就可以即時地獲得訊息。現今，光導纖維和通訊衛星這兩個先進科技，佔有了通訊科技市場的一大部分。它們所使用的傳輸科技仍舊是建立於電磁波原理。
  * 電子計算機：電晶體是二十世紀最重要的發明之一。電晶體是所有現代電子電路的基本元件，最先進的積體電路在小小幾平方公分的面積可以內嵌幾十億個微小的電晶體。

### 發電

泰勒斯的琥珀摩擦實驗是科學史上第一個與發電有關的實驗。雖然這實驗的結果，稱為摩擦起電效應，能夠吸引輕微的物體或發出火花，但發電效率很低，不具實用功能。一直要等到十八世紀，伏打電堆被發明之後，人們才得到了一種比較可行的電源。伏打電堆和它的現代後裔 ——

電能通常是由採用機械 - 電磁轉換模式的發電機製成。靠著燃燒化石燃料或分裂核燃料過程，可以產生熱能，然後用蒸汽渦輪發動機將熱能轉換為動能，驅動這種發電機進行發電；類似地，其它種能源，例如風力或水力，也可以用來發電。這種發電機的外形絲毫不像法拉第早前發明的同極發電機（homopolar generator）。但是，它所根據的運作原理仍舊是法拉第定律。十九世紀後期的變壓器的發明，以高電壓，低電流的方式增加電力傳輸效率；這意味著發電功能可以集中於位置較遠的中央發電場。大型的發電廠更能受益於規模經濟，所生產的電力也可以傳輸至相當遠的地方使用。

由於電力無法大量的儲存，大多數時候，電力公司（electric utility）必須即時生產所有需求。電力公司必須仔細估算電力需求，依照估算的結果計畫電力的生產。為了給予電力網路足夠的彈性來應付偶發狀況，像極端惡劣天氣、機器故障、燃料短缺等等，電力公司還必須預留一部分發電能力。

隨著國家的進步，經濟的發展，電力需求急速地增加。例如，在二十世紀的前三十年，美國的電力需求，每年平均至少會增長 7%。
美國的 2011 年用電量比 1950 年多過 13 倍。新興經濟，像印度或中國的經濟，也正在經歷這樣快速的增長率歷史數據顯示，電力需求的成長率超過其它種能量。

由於人類的生存環境不斷惡化，地球的有限資源急速消耗，許多電力公司都開始選取可再生能源發電的策略，特別是選擇風力發電、水力發電、太陽能發電。雖然有關各種不同發電方法對於環境利弊的辯論仍舊繼續在進行中，尚未能成定論，一般而言，假若將電力純粹當做一種能源看待，那麼，這是一種相當乾淨的綠色能源

### 輸電

1882 年，第一次高壓輸電出現，當時採用的電壓為直流 1500V -2000V，輸送的功率約 1.5kW，是世界上第一個電力系統。現在常見的交流輸電方式為：將發電機生產出來的電能（電壓為 10kv 左右），經升壓變壓器變成 220kv 或 500kv 後，通過超高壓輸電線輸送到城市的供電網上，再經多級降壓變壓器最終變為 220v，供我們使用。需要進行遠距離輸電時，人們也會採用新型的高壓直流輸電方式進行，就是在原有的交流輸電網中增加了整流器（把交流電變為直流電）和逆變器（把直流電變為交流電）。採用超高壓（500kv 等）輸電的目的是要減少線損，即電能在傳輸線上以熱能等形式損失掉的能量。據估計，中國輸配電系統的網絡損耗高達 8.5%。更先進的特高壓電網是指 1000 千伏的交流或者 ±800 千伏的直流電網，可以長距離、大容量、低損耗輸送電力。

### 儲電

電池能夠儲存化學能，並且在需要之時能立刻變換成電能。電池的用途廣泛，能夠很理想地搭配很多種用途，是日常生活不可或缺的電源。但是，電池所儲存的能量有限，每當儲存的電能用完，就必須重新充電或丟棄。為了確保長期大量用電客戶不至缺電，必須選取持續地發電與傳輸至用戶的策略。

## 電現象

### 生理效應

施加電壓於人體，會造成電流的流過人體內部組織。在人體內，電壓與電流呈非線性關係，電壓越大，電流也越大。隨著供給頻率的改變，電流路徑的不同，感覺閾值也不一樣。對於電路主幹的頻率，感覺閾值大約是 0.1mA 到 1mA。但是在某種狀況下，甚至電流小到 1µA 都可以被感覺得到，能使肌肉發生纖維性抽搐（electrovibration）。假若電流太大，則會造成肌肉收縮、心臟纖維性顫動（fibrillation）或灼傷。

由於導體是否通電，很難從外表判斷出來，一不小心，就很容易觸電，所以，電源是一種危險源。電擊可能會造成極劇烈疼痛，時常會被黑心人士用來刑求，稱為電刑。在刑法裏，電刑也是一種處死的方法。

### 大自然的電現象

電並不是純粹人為的發明，可以從大自然觀察到的電現象很多。最為人知的現象是閃電。很多熟悉的宏觀作用，像接觸、摩擦、化學鍵等等，都是由原子尺寸的電場作用產生的。地球核心的循環電流造成了的地磁場。某些晶體，像石英，或者甚至砂糖，當感受外部壓強時，會在其表面之間產生電壓，這現象稱為壓電效應。逆反過來，當施加電場於一個壓電物質時，物質的尺寸會出現稍小改變。

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） 。另外有些生物，能夠自身製造高壓電，用來攻擊對方或防衛自己。裸背魚目裏的生物，最著名的例子是電鰻，用改變了的肌肉細胞，稱為發電細胞（electrocyte），所製造的高壓電，來探測或電昏其獵物。所有動物沿著牠們的細胞膜以電壓搏動，稱為動作電位，來傳達資訊。動作電位的功能包括神經系統的神經元與肌肉之間的資訊傳遞。電擊會刺激這系統，使肌肉收縮。動作電位也負責協調某些植物的功能。

## 參見

* 磁
* 發電廠
* 高斯定律
* 安培定律
* 量子電動力學
* 電力市場，銷售電能
* 名稱以「電」開頭的所有條目

## 註釋

## 參考文獻

## 外部連結

* 麻省理工學院物理系視聽教學：初級電磁學。
* 佛羅里達州立大學 Magnet Lab 網頁：電磁學入門