电是怎么产生的？又是怎么到我们的家？

电是怎么产生的？怎么到我们的家？

电是怎么产生的？

1. 电的概念

    电（electricity）：是静止或运动的 电荷 所产生的物理现象的统称，包括电荷、电场、电流、电压、电磁作用等。它是物质的一种基本运动形式。

2. 原子结构

    首先我们要知道物质的本质，任何物体都由原子组成，原子由原子核（质子 + 中子）和核外电子组成。

   这是一个原子的结构图：
   
   

    质子带正电荷，中子不带电，电子带负电荷。其中质子和中子的重量大概是电子的2000倍，这就意味着质子和中子不动，电子是运动着的。因为电子带有负电荷，因此电子被质子束缚着，围绕着原子核做无规则的运动，电子所在的区域叫做原子轨道。

   

    两种元素之所以不同，是因为他们原子中质子数量不同。比如硅有29个质子，铜有14个质子。对于电而言，真正重要的是最外层-价电子层。原子对价电子束缚的有多紧，就决定了这种材料是否导电。

   

3. 导体和半导体

     就铜原子而言，整个外层的电子层几乎没有被束缚住，把大量的铜原子聚集在一起，这些外层电子就会融合在一起，它们不属于任何一个铜原子，铺展到整块金属之中。这就是导体的本质： 一种内部含有可移动电荷的材料。 因此铜是很好的导体。而在玻璃和橡胶当中，价电子被牢牢的锁在强键里，不能自由的移动，因此它们是绝缘体。

     这样我们就可以轻松的理解，为什么电缆内部是铜芯，外部用橡胶包裹，就是为了规定电不能去哪里。

   

    导体和绝缘体并不是只存在两个极端，导体和绝缘体中间存在着半导体，比如硅，锗就在他们中间。加入极少量的元素，我们就能精确控制半导体的导电能力。

   

4. 电压、电流和闭合电路

     所以现在有个疑问：一块铜有很多铜原子组成，比如一根铜芯导线，里面很多电子在移动，为什么没有产生电流呢？因为在室温下，他们以极高的速度朝着随机的方向乱撞，所以并没有产生任何方向的净值，电流为0。

   

    想要让这些埋头乱撞的电子沿一个方向运动，需要两个条件：电压和闭合电路。电压就是两个位置的电势差，闭合电路就是将着两个位置连接起来的线路，不能断开。

     1 库仑的电荷，在 1 伏特电势下，拥有 1 焦耳的电势能。1 V = 1 J/C。

    一条电路接通的一瞬间，不是电子瞬间从一端跑到了另一端，线路本身充满着自由电子，通电后电荷会在自身周围产生电场。导线里的自由电子，受到电场力，定向漂移 → 产生电流。

没有电场，电子只会无规则热运动，不会形成电流。电压本质就是电场沿路径的积分，电压就是用来描述电场做功能力的。

5. 电阻

 线路上串联一个灯泡，接通电路后，灯泡发光发热。电子本身电荷不变，电子不会消失。只是位置变了，所处电势变了，所以电势能变少。不是电子 “把自身能量丢出去”，是电场系统储存的电势能被释放。 

  电荷穿过材料时，并不是畅通无阻，它们会散射，这个散射的结果就是 电阻。 电子穿过一个完美的晶格中，不会发生碰撞散射，也就是说没有电阻。比如一些金属材料加热，金属原子产生震动，电子穿过时就会碰撞晶格，产生了电阻。把某些材料温度降低到绝对0度，电阻就可以降低到0，这就是超导。铜的散射非常少，这就是我们用铜制造电缆的原因。

  电子每一次散射都会把一点点的能量传递到晶格内，晶格震动的剧烈发热，电热水壶、烤面包机就是这个原理。

6. 功率

     电压告诉你每单位电荷携带的能量，电流告诉你每秒流过的电荷量，两者相乘就是每秒消耗的能量，那就是 功率单位是瓦特，我们付的电费就是瓦特。 这也就解释了为什么2kw的热水壶电缆要比30w的手机充电器粗的多，因为电热水壶需要通过的电荷量更多。

7. 电磁感应

     闭合回路的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电动势（电压），进而产生感应电流。

   它与电池发电原理完全不同。

   

• 电池：化学反应分离电荷，建立静电场
• 火电发电机：变化磁场激发涡旋电场，不需要化学反应直接提供电荷分离。

两种典型电磁感应场景

• 场景 A：动生（发电机）

 导体在磁场里切割磁感线。导线里的自由电子跟着导线一起运动，磁场对运动电子施加洛伦兹力，电子向导线一端聚集，形成电势差。火电、水电、风电全部是这个原理。 

• 场景 B：感生（变压器）

 磁铁不动，磁场强弱随时间变化。变化磁场直接在空间激发出涡旋电场，不需要导体运动。变压器原边交变电流产生交变磁场，副边线圈处在变化磁场中，直接感应出电压。 

• 煤电发电链条：

1. 锅炉：煤燃烧，化学能 → 热能，把水烧成高温高压蒸汽
2. 汽轮机：蒸汽冲击叶片，推动转轴高速旋转；热能 → 机械能
3. 发电机：转轴带着转子（电磁铁）一起转，磁场跟着旋转
   • 旋转的磁场扫过定子里面的铜线圈
   • 根据麦克斯韦：变化的磁场产生电场，线圈里激发电场，进而产生感应电动势（电压），形成电流
   • 机械能 → 电能

发电机内部细节

• 转子：通电线圈（电磁铁），跟着汽轮机一起转，产生旋转磁场
• 定子：固定不动的铜导线线圈
  磁场一转，穿过线圈的磁通量不断变化，线圈内部产生电场，推动线圈里的自由电子移动，产生电压、电流。

 我们身边的煤电，就是这个发电原理，烧煤 → 加热水成蒸汽 → 推动汽轮机旋转 → 带动磁铁（转子）旋转发电。

电怎么到我们的家？

1. 发电厂

前面讲了，电是怎么产生的，举例了煤电发电原理。除了煤电还有风电、核电等发电方式，这些能量最终都是驱动发电机内的转子旋转，才能产生电流。 

2. 直流电和交流电

 有直流发电机和交流发电机，输入到我们家的电为什么最后选择交流电呢？这就涉及到点的高效传输的问题，变压器可以将交流电压提升、降低。高压传输电流很小，损耗也比较小，方便我们取用，所以交流电最终会胜出。但是直流电并没有消失，我们手机和很多用电设备都需要把交流电转换为直流电使用。

3. 发电厂到家的传输过程
   【发电厂】
   煤/核能/水/风 → 汽轮机 → 发电机（输出 10.5kV 三相交流电）
   ↓
   【电厂升压变压器】电磁感应，升压 → 220kV / 500kV 超高压交流电
   ↓
   【高压输电铁塔+高压线】远距离输送电能
   ↓
   【城市区域变电站】降压 → 110kV → 再降压到 10kV
   ↓
   【小区配电房变压器】降压（10kV → 220V/380V）
   ↓
   【入户电线】火线 + 零线（还有地线）
   ↓
   【家里墙壁插座 220V 50Hz交流电】
   ↓
   【负载：灯泡/充电器】形成回路，电子流动，电能转为热/光/机械能