觀念物理第五部

32.1　電力及電荷

你對於重力已經十分清楚了，它是將你吸在地球上的作用力。這力也就是你的重量。現在試想想有一種億萬倍強的力也作用到你身上，它可以把你壓成像一張紙那麼薄。但是如果同時有另一種同樣強大的排斥力也作用在你身上，這兩種力相互完全抵消，於是你絲毫覺察不到有任何效應。自然界正巧就有這樣的一對作用力隨時施加在你身上，這作用力就是電力。

電作用力來自原子內部的粒子。在1900年代初期，拉塞福和波耳兩位物理學家提出一個簡單的原子模型，它有一些電子環繞著正電荷的原子核。原子核中的質子吸引電子，使電子留在軌道上繞轉，就如同太陽把行星維持在軌道一樣。電子被質子所吸引，電子與電子間則互相排斥。

這種相吸與相斥的作用是歸因於一種叫電荷的性質。已被一般人接受的說法是電子帶有負電荷，質子帶有正電荷，中子則不帶電荷。中子與帶電荷的粒子既不相吸，也不相斥。

至於質子為什麼不把帶相反電荷的電子吸進原子核來呢？這是個十分有趣的問題。它的理由和行星繞著太陽運轉不同。在原子之內，必須應用不同的物理定律來說明，而這屬於量子力學的範圍，到第38章時我們才會討論到。這裡只是簡單提一下：根據量子力學，電子具有波動性質，必須占據與其波長相關的一定空間。原子的大小是由電子所需要的「伸展空間」大小而定的。

可是原子核裡面的質子為什麼不會互相排斥、以致飛離開來呢？是什麼力把原子核結合在一起？答案是：在原子核中，除了電的作用力之外，還有一種更強的、不屬於電性的作用力，這種核作用力將會在第39章討論。

下列各點為原子學說的一些重要事項：

1. 每一個原子都有一個帶正電荷的原子核，另有一些帶負電荷的電子環繞著原子核運轉。

2. 所有電子都是完全一樣的。每一個電子都有相同的質量，都帶有同樣大小的負電荷。

3. 原子核是由質子與中子組合而成（正常的氫原子除外，它不含有中子）。所有質子也是完全一樣的，一個質子的質量約為電子的2,000倍，一個質子的正電荷電量與一個電子的負電荷電量相等。中子的質量略大於質子，中子不帶任何電荷。

4. 通常原子內的電子數目與質子數目相同，所以原子內的總電荷量是零。

為什麼電子與電子相排斥，卻與質子相吸引呢？這個原因超出了本書討論的範圍之外。以我們所能理解的說法，我們只能說那是天性，是電的一種基本行為。所有的電學現象中有一條基本守則：

同性相斥；異性相吸。

這句早已朗朗上口的流行話，現在通常是用來形容人間男女的本性。流行話的緣起是：早年經常有趕著馬車到處娛樂觀眾的表演者，他們的秀場有一個重要表演是在通心草球上充電和放電。通心草是很輕、有如泡沫塑膠的一種植物，將它做成小球並在表面上塗以鋁漆，就變成可以導電了。用絲線將小球懸掛起來，把膠棒在貓皮上摩擦之後，就可以吸引住小球。但一旦膠棒碰到小球之後，原來的相吸立刻就變成相斥。然後，被膠棒排斥的小球又會被與絲巾摩擦過的玻璃棒所吸引。用兩個通心草球，以不同的方式充電，就會顯現兩種電性之間的吸引力與排斥力。表演者常會指出：自然界提供兩性電荷，就如同男女兩性一樣。

● Question

1. 在複雜的電學各種現象之下，有一個非常基本的定律，幾乎任何效應都與它有關，那是什麼基本定律？

2. 電子的電荷與質子的電荷有什麼區別？

● Answer

1. 同性相斥；異性相吸。

2. 兩種粒子的電荷其電量相同，電性相反。

32.1　電力及電荷

你對於重力已經十分清楚了，它是將你吸在地球上的作用力。這力也就是你的重量。現在試想想有一種億萬倍強的力也作用到你身上，它可以把你壓成像一張紙那麼薄。但是如果同時有另一種同樣強大的排斥力也作用在你身上，這兩種力相互完全抵消，於是你絲毫覺察不到有任何效應。自然界正巧就有這樣的一對作用力隨時施加在你身上，這作用力就是電力。

電作用力來自原子內部的粒子。在1900年代初期，拉塞福和波耳兩位物理學家提出一個簡單的原子模型，它有一些電子環繞著正電荷的原子核。原子核中的質子吸引電子，使電子留在軌道...

第五部　電與磁第32章　靜電學32.1　電力及電荷32.2　電荷守恆32.3　庫倫定律32.4　導體及絕緣體32.5　經由摩擦和接觸的充電32.6　由感應來充電32.7　電荷的極化第33章　電場與電位33.1　電場33.2　電場線33.3　電屏蔽33.4　電位能33.5　電位33.6　電能儲存33.7　范氏起電機第34章　電流34.1　電荷的流動34.2　電流34.3　電壓源34.4　電阻34.5　歐姆定律34.6　歐姆定律與電擊34.7　直流電與交流電34.8　把交流電轉換為直流電34.9　電路中電子的速率34.10電路中電子的來源34.11電功率第35章　電路35.1　電池與燈泡35.2　電路35.3　串聯電路35.4　並聯電路35.5　電路圖35.6　複電路中的電阻組合35.7　並聯電路及超載第36章　磁學36.1　磁極36.2　磁場36.3　磁場的本質36.4　磁域36.5　電流與磁場36.6　磁力作用在運動中的帶電粒子36.7　磁力作用於攜載電流的電線36.8　從電流計到電動機36.9　地球的磁場第37章　電磁感應37.1　電磁感應37.2　法拉第定律37.3　發電機及交流電37.4　電動機與發電機的比較37.5　變壓器37.6　電能輸送37.7　電場與磁場的感應37.8　電磁波第六部　原子與核物理第38章　原子與量子38.1　原子模型38.2　光量子38.3　光電效應38.4　如粒子般的波38.5　波動的粒子38.6　電子波38.7　原子的相對大小38.8　量子物理38.9　混沌與可預測性第39章　原子核與放射性39.1　原子核39.2　放射衰變39.3　輻射貫穿本領39.4　放射性同位素39.5　放射性半衰期39.6　元素的自然遷變39.7　人為的元素遷變39.8　以碳定年39.9　以鈾定年39.10放射性示縱物39.11輻射與你第40章　核分裂與核融合40.1　核分裂40.2　核分裂反應器40.3　鈽40.4　滋生反應器40.5　質能等效40.6　核融合40.7　控制核融合附錄F　指數成長與倍增所需時間附錄G　為從事物理工作預做準備

第五部　電與磁第32章　靜電學32.1　電力及電荷32.2　電荷守恆32.3　庫倫定律32.4　導體及絕緣體32.5　經由摩擦和接觸的充電32.6　由感應來充電32.7　電荷的極化第33章　電場與電位33.1　電場33.2　電場線33.3　電屏蔽33.4　電位能33.5　電位33.6　電能儲存33.7　范氏起電機第34章　電流34.1　電荷的流動34.2　電流34.3　電壓源34.4　電阻34.5　歐姆定律34.6　歐姆定律與電擊34.7　直流電與交流電34.8　把交流電轉換為直流電34.9　電路中電子的速率34.10電路中電子的來源34.11電功率第35章　電路35.1　電池與燈泡35.2　電路35.3　串聯電路...