电的原理与应用
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同学们，电与我们的生活息息相关，今天我们来一起研究一下电的原理与应用，原来你们可能接触了一些关于电的知识，这次我们从更深层次上来了解一下电是怎么来的，有哪些种类以及我们平时都有哪些应用。
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电的基本原理
想要了解电的原理，就要了解构成我们世界万物的一种最基本的粒子：原子。我们生活中所有的物质都是由原子构成的，比如我们穿的衣服，吃的食物，用的物品等等。
各种不同原子组成的分子
我们现阶段暂时可以把原子看成是一个个非常小的小球，小球内部是什么结构呢？
原子内部结构
原子是由它最内部的原子核和外层的电子构成的，原子核带正电荷，外层的电子带负电荷，外层的电子围绕原子核以接近光速运动，这里的运动不像是我们的地球绕太阳、或者月球绕地球旋转那样的运动，而是一种类似于云的状态的运动，它的轨道是不连续的。正常情况下，原子核内的正电荷和外层的电子数是相等的，就是说：原子核内部有多少个正电荷，原子外层就有多少个电子在运动。比如说，氢原子核带有1个正电荷，外层就只有1个电子，碳原子核带有6个正电荷，那么外层就有6个电子，氧原子核有8个正电荷，外层就有8个电子等等。
从左到右从上到下：氢原子、氧原子、碳原子、氮原子
在原子核外的电子，是就胡乱的围绕原子核运动吗？不是的，它们的排列是有严格规律的，首先，它们会分层；其次，每一层最多有多少个电子有严格的规定。比如：离原子核最近的最里面第1层，最多2个电子，外面第2层，最多8个电子，第3层最多18个电子等等，目前发现的最多一共有7层，但是除第1层外，当其他层做最外层的时候，最多只能有8个电子。
每层电子最大数量其实是2*N2
现在我们人类一共发现了多少种原子呢？在我们的字典后面都有一个元素周期表，这里面罗列了我们人类目前一共发现的所有原子种类，有兴趣的同学自己可以去看看，研究一下。
在我们大概了解了原子的内部结构之后，有同学会问原子到底有多大呢？我们来用数值比较一下：把1米分成1000份后每一份是1毫米（mm），把1毫米再分成1000份后每一份是1微米（µm），再把1微米分成1000份后每一份是1纳米（nm），我们研究的原子的直径大小就是0.1nm的级别。
1米（m）=1000000000纳米（nm)
再举个例子：我们把100000000（1亿）个氢原子排列成一排，它们的总长度才1厘米（cm）左右。
原子是如此的微小，但是它内部的原子核更小，如果我们把原子比作一个直径100米的大操场，那么原子核就是操场中心的一只小蚂蚁，但是这么小的原子核却集中了原子99.9%以上的质量。
我们大概了解了原子之后，就继续往下进行，大部分原子都有一个特性：总想把自己最外层的电子补满。因为最外层最多8个电子（第1层做最外层时除外），当一个原子最外层有6、7个电子时，它总想再从别的地方获得1、2个电子把最外层补满，这种原子对于最外层的电子看得特别紧，不轻易让它们逃跑；当一个原子最外层只有1、2个电子的时候，它总想把最外层的电子给舍掉，这样它的次外层就是满满的电子了，所以这样的原子对于最外层的电子看得特别松，电子很容易就能自由活动。我们接触到的大部分金属，就属于第二种情况，因为其内部有能够自由活动的电子，所以才能够导电。
大部分金属的最外层电子
金属原子最外层的电子自由活动的能力是不一样的，存在阻力，这种阻力就是电阻，我们平时使用的大部分导线都是铜做的，就是因为铜的电阻比较小（比铜电阻小的还有银），而且价格比较便宜（银太贵了，做导线我们用不起）。
金属内部的自由电子
另外我们总是说水是导电的，不要用湿手或湿毛巾摸电器，就是因为水里面溶解有很多杂志，这些杂质被水溶解后会电解成带正电的和带负电的离子(简单说离子就是失去或获得电子的原子)，也能在水中自由移动，造成了水能导电的现象。所以我们可以说：绝对纯净的水是不导电的。只是我们平时生活中遇不到。
水导电是因为里面溶解了杂质
我们下雨时不能站在树下，就是因为下雨时树内部和外部都有水，而且是导电的不纯净的水，所以很容易被闪电击中。
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生活中遇到的电的种类
了解完基本原理之后，我们来看看我们平时生活中都会遇到哪些类型的电。
一、 静电
同学们可能都玩过这几类游戏：在洗干净的头发上（为什么是要洗干净的头发？你们自己动脑筋想一下）摩擦几下塑料尺子，尺子就能吸起很多小碎纸屑；或者把小气球在干净头发上摩擦几下，小气球就能粘在墙上。
这其实都是静电的现象。它的原理也很简单，当两种物质摩擦时，想得到电子的物质从手松的物质那里获得了电子而带负电，而手松的物质失去了电子带正电。
两种物质摩擦会有电荷（电子）转移
静电也和磁铁一样，存在同性相排斥，异性相吸引的现象。
静电的同性相斥的现象
静电产生的电压非常高，一般都会成千上万伏。我们冬天穿毛衣羽绒服的时候很容易带电，有两个原因，一个是因为天气干燥，另一个是因为我们不停活动形成了摩擦，这个摩擦生成的静电也会高达几千伏，当我们脱衣服、触摸门把手或暖气片时会经常有火花放电现象，但是不用担心，这个静电电量很小，不会对我们造成多大伤害。
闪电就是一种非常强烈的静电现象，它的能量非常之强大。
我们现在最常接触到的使用静电现象为我们服务的例子：口罩。口罩中间层的熔喷布层，就是带有静电的一层物质，当我们呼吸时，和尺子粘小碎纸屑的原理一样，空气中的小灰尘、病毒等颗粒会被粘在熔喷布上，起到过滤的作用。
二、 感应电
感应电是我们使用最为广泛的一种电，家里的插座里来的就是感应电，它支持着我们平时日常的几乎一切的生活。
电磁感应发电
我们都知道一块磁铁有N极和S极，当我们在磁铁的N极和S极之间横向移动一根导体时，就会有感应电产生，在导体的两端接上导线，就会生成电流，发电机就是依据这个原理来工作的：当线圈在发动机的带动下在磁铁的N、S极之间转动一圈，线圈中就会有电流往返流动一次，我们称之为交流电。这种发电机称为交流发电机，家里的插座中就是交流电。
交流发电机原理
交流电有两个参数需要我们知道，电压和频率，世界各国的电压和频率并不相同，出国旅游前爸爸妈妈经常会叨咕这些事情，因为我们国内使用的电器出国后如果和当地电压不一样，很有可能使用不了。现在电压主要分为100-130V和200-240V这两种，频率分为50HZ和60HZ两种。一定要知道我国使用的是220V，50HZ的交流电。
三、 化学电
化学电也是我们平时接触较多的一类电，主要应用场景是电池。
各种电池
电池的种类有很多种，包括锰锌电池、镍氢电池、铅酸电池、锂电池等等。不论何种电池，它们的基本原理都是一样的：将电池正极和电池负极放在某一种溶液中，放电时电池正极获得电子，负极失去电子；充电时电池正极失去电子，负极获得电子。
电池的原理
不同种类的电池电压是不同的，其中干电池电压：1.5V，碱性电池电压：1.2-1.5V，镍氢电池电压：1-1.4V 可充电，这3种电池一般是可以正常互换使用的，但是一个用电设备里面建议使用同一种电池。纽扣电池电压分为1.5V和3V两种，型号比较多，一般不互换使用。锂电池电压一般为3.3-4.2V可充电，锂电池的充电和使用需要有严格的保护电路，不然很容易着火，所以我们不允许在室内给电动自行车的锂电池充电。
所有的电池在冬天气温低的时候都有一个共同特点，那就是电池容量下降，很容易就没电了，根本原因就是冬天气温低的时候电池里面的离子都变得懒洋洋的，不想动，偷懒的越来越多，所以电池就不耐用了。
冬天天冷时这些离子（失去或获得电子以后的原子叫离子）都懒洋洋的，所以电池容量下降了。
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常见的发电方式
了解完了我们经常遇到的几种电，我们来看一看日常使用的电是怎样发出来的。
我们日常使用的电还是以感应电为主体，就是我们家里面插座上来的电，它供应我们家里所有的电器的正常运转，以及给各种电池进行充电。它的来源主要包括：
风力发电
风力发电：很好理解，用风吹动一个大风车旋转，旋转的风车带动前面讲过的那种交流发电机进行发电。
水力发电
水力发电：用水流的冲劲带动水轮机旋转，水轮机带动交流发电机进行发电。
我们人类真聪明，会用热量烧开水来发电
热力发电：煤燃烧产生的热量，这里没有办法直接使用此热量来带动发电机旋转，所以我们人类很聪明，通过烧煤产生的热量来烧开水，使水汽化后水蒸气产生的动力来推动汽轮机（涡轮机）旋转，以此来带动发电机发电。
我们人类还不够聪明，只能用核能烧开水来发电
核电：核能是一种非常好的能源，它的能量密度极高，它通过原子核的裂变来产生能量，以我们常用的铀举例，一公斤铀裂变所产生的能量足足等于2700吨煤燃烧所产生的能量，而且这种能源极为清洁几乎没有什么污染，但是我们人类还不足够聪明，不能直接来使用这种能量，仍然需要用核裂变产生的能量来烧开水，使用水蒸汽来发电。
方舟反应炉（钢铁侠）
很多同学看过钢铁侠的电影，钢铁侠胸前的方舟反应炉就是一个理想中的超小型核反应堆，如果我们人类突破了这个技术，那将会是一场能源革命。
太阳能电池原理
太阳能发电：太阳能发电使用的是一种特殊材料，当这种材料受到光线照射时，向光面和背光面会有不同的反应，一面积累负电荷，另一面积累正电荷，由此原理，一面作为负极一面作为正极来进行发电，但是太阳能有一些缺点：能量密度很低，往往需要很大面积的天阳能电池板才能达到实际使用的目的；受天气影响太大，只能使用在日照充足的地区等等。
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