什么是电,简单来说,电力是电子在导体内流动所产生的力量,也是各能量型态最多变的一种。在自然的状态下,电并不容易显现出来;而当它出现时,人们看不到、听不见也闻不出来,只能触碰来感觉,或者靠着电的特殊效应，如光、热等来察觉电的存在。 大部分的电能都靠火力、风力、水力、核能、潮汐、沼气、地热等能源转动发电机产生，所以电能又叫做”二次能源”。,电的能量形式,电力是一种很具弹性的能量形式，能够适用于日以剧增，多不盛举的用途。例如，于 1870 年代出现的电灯泡，具有极大的实用价值的。由于这发明，人们不再需要使用蜡烛或煤油来照明，因而得以避免了很多可能发生的火灾。,电能生产的特点是：电能的生产与消费具有同时性，且电能生产运行方式变化的过度过程十分短暂，电能与国民经济各部门和人民生活关系密切。因此，对电力系统运行的基本要求是：保证安全可靠的供电；保证良好的电能质量；保证电力系统运行的经济性等。变压器容量的选择 ,电是怎么产生的？,Oersted (奥斯特, 1777 - 1851) 偶然是揭开奥秘的钥匙,1777年生于丹麦小镇，1799年获博士学位，原来主修药学和哲学，后来却在物理和化学上大放异采。 1801年至德国留学，结识物理学家Ritter，他是电镀工业之父、发现紫外光、制造出第一个干电池、第一个蓄电池，可是个性内向，字迹潦草，研究手稿难以阅读，于是Oersted将Ritter的德文手稿译成优美的法文，使Ritter获得法国科学竞赛的首奖。 经过三次的申请，才于1806年获得哥本哈根大学的物理教职。 1808年开始研究电与磁的关系。,1810年，Ritter逝世。 1814年结婚，成立丹麦皇家科学和文学会，定期发表文学性的科学文章,1820年的一个冬夜，为六名学生展示新实验，意外发现科学史上著名的通电导线对磁针偏转的影响，这项发现为电和磁建立连系，揭开电磁学的序幕。 Oersted是一位认真严谨的学者，发现这个令人兴奋的惊人现象后，又花了三个月的时间仔细地进一步研究；它在磁针与导线之间分别放置玻璃、木块、水、石头等不同的物质重复实验，观察磁针的偏转是否受影响。它又用黄铜、玻璃、橡皮等不同材质做成的细针代替铁针进行实验，以确定这是真正的磁效应。1820年7月21日他发表了一篇拉丁文写成的论文“关于电流对磁针作用的实验”，从人类认识磁与静电开始到那个时候约有2600年相隔，他把两种作用首先地关联在一起，这是个创是之举。,在观察的领域中，机遇只偏爱有准备的头脑巴斯德论奥斯特。 为了纪念他在电磁学上的贡献，后人将磁场强度的单位定为奥斯特。,Oersted在晚年时认识一个穷小子，认为他是未来光大丹麦文学的天才，于是延聘到家当小女儿Matilda的家教，这位年轻人就是安徒生，安徒生童话里的女主角经常就是Matilda。,Andre Marie Ampere (安培, 1775 - 1836 ),法国人，12岁已掌握了所有的数学 ，13岁发表第一篇数学论文，1810 年 到 巴 黎 综 合 工 科 学 校 当 数 学 教 授 。 安培的少年时代，虽然是在安适的环境中度过的，但是后来却经历了种种的不幸，先是在大革命中牠他父亲被斩首，后是他的妻子的早丧。这使他的生活从精神到物质都受到了极大的损害，从而也对他的科学活动产生了深刻的影响。 安培智慧非凡，善于运用数学进行定量分析，他的学术地位也因而不断提高。他被聘为多个学院的物理和数学分析教授，更被邀为英国皇家学会会员。 定义电流的方向 电学领域里的牛顿,安培定律,1820年，奥斯特的电流磁效应传到法国后，安培立刻重做了奥斯特的实验 ，不久后向法国科学院提交了第一篇论文，报告他的实验成果接着提出了第二篇和第三篇实验报告论文。 右手螺旋定则 磁是由运动的电产生的 一个电流是否可以影响到另一个电流? 同向直线电流间互相吸引，异向直线电流间互相排斥 建立作用力的数学公式,如果把直导线绕成螺管形 世界第一个电磁铁,后 人 为 纪 念 他 的 贡 献 还 将 量 度 电 流 的 单 位 以 他 的 姓 氏 安 培 命 名 。,Michael Faraday (法拉第,1791-1867) 伟大的实验物理学家,英国人，穷困铁匠之子，兄弟姐妹十人，只受小学教育，十三岁就到装钉厂当学徒，他所有的学识完全是凭借自修苦读而来的。他常常利用客人还没来拿订好的书之前，赶快阅读那本书，有时候装订剩的书，他也会留一本下来阅读。这些书的范围包括了：艺术、科学、矿物、植物、地下水道、桥梁建造、甚至于论爱尔兰猪的关节炎等，各式各样奇怪的内容。,其中一本 以萨华兹博士 所著的悟性的提升提到的五个读书方法，对法拉第影响很大，成为他一直奉行的治学方法： 作个人的笔记 持续的上课 有读书的同伴 成立读书会 学习仔细观察和精确的用字,电磁转动,1820年，奥斯特发表电流磁效应后，同年戴维和欧勒斯顿也从事电磁实验，不过没有成功。 1821年，法拉第成功以实验证明电磁转动的现象，成为现代马达的先驱，这项发现为他个人带来深沈的打击。 法拉第一生中，只有这时候曾想放弃科学，幸好他的妻子始终给他最坚定的鼓励。 这段经历也让法拉第后来体悟到，一个默默无闻的研究者，需要的是鼓励而不是打压。所以他帮助许多年轻的科学家，像是：马克斯威尔（后来成为举世闻名的电磁学大师）、凯尔文（绝对温度、热力学三定律）、焦耳等人，都直接受到法拉第的协助和影响，而有了重大的科学贡献。 1824年，法拉第被选为皇家学院的会友，当时只有一票反对,法拉第是近代电磁学的奠基人，他的发现为电的应用开拓了广阔的道路。但是在电灯、电话、电动机发明之前，不少人怀疑电的用处。一次，法拉第作完电磁感应理论讲演后，一个贵妇人有意挖苦他：教授，你讲的这些东西有甚么用处呢?法拉第诙谐地回答：夫人，你能预言刚生下的孩子有甚么用吗? 电磁感应是发电机的最主要原理，但是，实用的发电机却不是那么简单，法拉第定律之后五十年才在美国做出来。现在不管是水力发电、火力发电、核能发电，它们的基本原理都是电磁感应，将动能转换会成电能。,从电灯到发电厂,1854-58 年，英国Univ. of Glasgow的凯尔文（William Thomson，后来封爵Lord Kelvin, 1824-1907），研究越洋电缆理论，促成大西洋两岸之电讯。他也因此发财。1876年，美国人贝尔(Alexander G. Bell,1874-1922 )发明电话。贝尔的家传技艺是audiology(帮助聋哑的技术)。他发明电话后成为巨富，热心公益。他的公司，至今尚存。晚年他宣称讨厌电话，隐居加拿大东北极寒之地纽芬兰。 焦耳、凯尔文现在的名气，多因其热学上的成就，(焦耳之热功当量，凯尔文之绝对温标)。而且，他们合作，发现了气体膨胀时，温度下降（Joule- Thomson Effect），这是冷冻机原理。但这发明当时英国的工业界不感兴趣。焦耳去世较早。凯尔文1892之封爵，也是因越洋电缆。 为什么冷冻机原理当时引不起英国工业界的兴趣？为什么用途广泛的电马达（其原理祗是安培定律）没有很早的发展？其中重要原因之一是这些都要大量的电力，而当时还没有一个便宜的发电方法（电池发电太贵了）。因此，用电量较小的通讯器材（电报、电话），就率先发达。对当时的一般民众而言，生活中用电还是少见的事。电报是紧急时才用的，而电话也只有少数有钱人才装得起。 要等发电机成功之后，用电量大的器材，才能发展。而电器之普及，也才能实现。,爱迪生与供电系统,1881年，计划在纽约市建立发电厂。 需要克服的困难 让大家接受电灯 市政府批准 经费 设厂设备、零件 为解决问题，不断的发明 1882年9月4日完成。,1896尼加拉瀑布水力发电开始。世界的电化，从此展开。,供电系统电流之争 直流电、交流电?,美国各地纷纷建立发电厂。 爱迪生的发电厂送出的电力是直流电，它的缺点是电力不能传送太远，因此必须在各地建立小规模的电厂。 蒂斯拉(Tesla)原本是爱迪生的助手，因为一件事情摩擦，愤而离开爱迪生，投入威斯汀豪斯旗下，于1888年，蒂斯拉成功地建成了一个交流电电力传送系统。他设计的发电机比直流发电机简单、灵便，而他的变压器又解决了长途送电中的固有问题。利用变压器，可将输入线路的电压提高，在送入家庭用户或工厂之前，再把电压降下来。(变压器P=IV; 电力线 P=I2 R) 为了维护自己的系统，爱迪生和威斯汀豪斯(Westinghouse)在杂志、刊物上进行论战 以及大量的政治游说。 一开始，交流电系统受到严重的打击，甚至成为死神的同义语 ，但在其后的几年，交流电的发展和应用迅速扩大，逐渐占领用户市场，取得最后的胜利。 1912年，蒂斯拉被授予诺贝尔物理学奖金。但是，当他得知将与爱迪生一起分享这一荣誉时，他表示不接受授奖，这样奖金便转发给了瑞典物理学家尼尔斯古斯塔夫达伦。,电磁感应 十九世纪物理学最重要的发现，电磁学里最美丽的诗篇,1821年，要将磁转成电 十年的努力实验，依然没有结果。 神秘的振动 金钱的抉择 1831年9月23日，终于发现关键点，一个移动的磁铁或通了电流的筒状线圈，也可以使附近的线圈中，产生感应电流 这一日后来被定为电机工业的诞生日。,爱迪生(Edison, 1847-1931) 天才是一分的天份，加上九十九分的后天努力,问题儿童 小时候的他超喜欢问为什么？，而且超喜欢亲自试验。 想学母鸡孵蛋，结果压碎了一窝蛋。 捉两只大猫，想使牠们的毛皮互相摩擦生电，结果是落得满身抓伤。 有一天，爱迪生终于问起火药是怎么做的？结果 爱迪生真正受过的学校教育只有三个月，因为他那爱发问的习惯，令学校老师大为光火，母亲只好把他带回家，自己教导。,与电结缘 12岁在火车上卖报；车厢上做化学实验，引起火灾，被忿怒的车长打成一只耳聋。 有一次因为救了站长的儿子，而被安排成报务员，自此接触的电的知识。 自制一台自动定时发报机 ，被车务主任发现而被炒鱿鱼 。 成为发明家 21岁到纽约找到电报机维修的工作，闯出了名声，成了发明家，取得许多的专利，后来成立了自己的工程公司，专门制造和改良一些事务机器 。 1876年，爱迪生在纽约南方的梦罗园，成立了他的实验发明中心，就是我们一般所说的爱迪生发明工厂。这里拥有精密的设备仪器，还有一批才华卓越的各类专家。1876年到1887年间，这一群以爱迪生为首的科学家，在这里进行系统的、复杂的、品类繁多的科学研发工作。,发光的原理,爱迪生的电灯之路,爱迪生决心发明白炽灯，他查阅200多册的书籍，记下大量的笔记，认为关键是灯丝。 碳丝：发生燃烧 抽空气脱氧：自制抽气机、玻璃灯泡；亮8分钟 其它导体：铀、白金、铁丝等共1600 多次耐热材料 绵线烧成的碳丝：亮45小时(1879年) 600 多种植物纤维的实验 竹子烧成的碳丝：1200小时(1880年)，第一只实用的电灯。 从开始到成功，总共是13年。 可是要让灯普及，还有一段路要走。,气体放电灯与日光灯,人们在研究气体放电时，发现水银蒸气有很奇特的作用。在灯管内充入水银，使它的气压只有大气压力的百万分之一，放电电流大于0.1安培时，这种灯的放电比较强烈，是一种弧光放电，不过它有60%的功率都转为紫外光，发光效率比白炽灯还低。 能不能将这些紫外光变成可见光呢? 1939年，一种新式的灯管出现，它在内壁涂上荧光物质，居然发出白光，而且可以和白炽光发出一样亮度的光，可是耗电却少了许多。 這就是螢光燈，屬於低壓水銀螢光燈，我們日常見到的日光燈就是這類的燈，除了水銀蒸氣外，還摻入了少量的氬氣以幫助放電，而燈絲上也塗有易放電的物質，如氧化鉀或氧化鈣 。兩端通以高電壓，迫使氬氣放電。這些氬氣所放出的電子，高速撞擊水銀原子，使水銀原子提升到一個高能量狀態（叫做電子激發態）。高能量的激發態原子非常不穩定，因此，很快就放出光來而回到原來的安定狀態。當水銀回到 最穩定狀態(Ground State)時, 釋放出波長為 2540埃的紫外光。 可是 這些紫外光可是無法穿透日光燈管壁的,