电是什么？

在我们的生活和工作中，每天都要和“电”打交道，电流通过电灯，发出了明亮的光辉；在电视机的荧光屏上，电把剧场中精彩演出的实况显示在我们面前；在钢铁厂里，电流发出巨大的热量，熔炼着金属；电气机车满载着乘客，奔驰在广阔的原野上……，电的用途实在太大了！

你也许会问：“电”到底是什么呢？它是怎么得来的呢？怎样才能使它更好地为我们服务呢？下面就让我们来揭开“电”的秘密。

我们用梳子梳理干燥的头发，常常会听到劈劈啪啪的响声，如果在黑暗中，还会看到一些细小的火花。你也许不会想到，这些小小的火花却是耀眼闪电的姊妹，那种勉强才能听见的劈啪声，正是隆隆雷声的亲戚。如果把这个梳子拿到一撮小纸屑的近旁，小纸屑就会被梳子吸起来。

还是在公元前600年，希腊有一个叫塞利斯的人，用毛皮摩擦琥珀，发现琥珀能吸引绒毛、麦杆和一些别的轻小东西（见图1）。那时候，希腊人解释说琥珀中存在一种特殊神力，管它叫作“电”。后来又发现，玻璃、硫磺、胶木、丝绸和许多别的物质，也都具有和琥珀同样的性质。于是人们就把用毛皮摩擦过的琥珀所具有的这种特性叫做“带电”。后来又发现电有两种：玻璃、宝石和毛皮摩擦时在玻璃、宝石上呈现的电被叫作“正电”；而胶木、琥珀和丝绸摩擦后呈现在胶木、琥珀上的电被称为“负电”。有趣的是，带有正电的物体，能把其中任何一种带有同种电的物体推开〔图2（a）〕；相反，它又能吸引带有负电的物体〔图2（b）〕。于是，人们总结出电的一个重要特性：（1）正电与正电相排斥；（2）负电与负电相排斥；（3）正电与负电相吸引。

怎样科学地说明“摩擦起电”的道理呢？

我们的周围是一个物质的世界。从食物、服装到住宅、交通工具等等，无一不是由各种物质所组成。就连人体、地球，甚至地球周围的大气，也都是由物质组成的。

那么，物质保持原有性质不变的最小颗粒是什么呢（图3）？为了获得这种最小颗粒，我们就对物体不断进行机械分割。以一杯重180克的水为例，分成两杯就是每杯90克，再往下分是每杯45克，如此继续不断分下去，大约分到80次以后，再往下分就会失去原有的水的化学性质了。于是就得到了水的最小颗粒，叫水的分子，图4。

分子是非常微小的，甚至用普通显微镜也没法观察到它。举例说，180克水中就含有6×10\(^{24}\)个分子，这个数字写出来，是6后面再加24个零。分子微小的程度可想而知。

虽然分子是物质保持化学性质不变的最小单元，但它仍然是可以分割的。分子再继续分割，就失去它原有的特性，变成更小的颗粒——原子。尽管世界上的物质不下几百万种，它们却是由92种化学元素构成的，这92种化学元素，实质上就是92类不同的原子。另外还有十几种化学元素是人工合成的，总共有107种（107号元素至今还有争议）。这一百多种化学元素通过各种方式结合起来，构成自然界中形形色色的物质。例如，由图5可看出：氢分子是由两个氢原子组成；水分子由一个氧原子和两个氢原子组成；甲醇由一个碳原子、一个氧原子和四个氢原子组成，等等。

各种元素在地球上的分布也是不均匀的。从地表16公里以下的地壳，直到环绕地球的大气层中，到处都有各种元素的萍踪。经实地测定，在地壳的总重量中，各种元素分布的重量百分含量可以按大小排列成下示表格的形式，这些数值叫科拉克数。

原子是极其微小的，但是原子也还是可分的，它的结构异常复杂。学习电学，暂时可以不去探讨原子的细微结构。我们需要了解和掌握的是：每一种原子都包含着一个处在中心的原子核和在核外面沿一定轨道围绕原子核作高速旋转运动的若干个电子，就好象地球和行星围绕太阳旋转一样。原子的直径只有1／100,000,000厘米，也就是在一厘米长度上可以排下一亿个原子，而原子核的直径只相当于原子直径的几万分之一，甚至几十万分之一。如果把原子核放大，看作直径为1厘米的小球，那么离原子核最近的电子轨道的半径也有50米长（见图7）！可以说，在原子内部，许多电子沿各自的轨道围绕原子核旋转，仿佛是广漠宇宙的缩影。

一切原子的原子核都带有电，而且带的是同种的电——正电荷。至于环绕原子核旋转的电子也都带有同种的电——负电荷。一切电子的大小、质量和电荷都是完全一样的。一个电子的质量只有1/1,000,000,000000,000,000,000,000,000克，约为氢原子质量的1／1840，而氢原子是质量最轻的一种原子。可以认为电子离开原子后，原子的质量不会发生变化。

不同的化学元素具有不同的原子，各种化学元素之所以互相有区别，正是由于它们的原子结构各不相同。首先，各元素的原子核在大小、质量和电荷数量上都不一样。其次，环绕原子核旋转的电子数目在各元素中也不相同。最简单的原子要算氢原子了，它由具有一个正电荷的原子核和一个环绕核运动的电子组成的。氧原子就比较复杂啦，它的核内有8个正电荷，外面有8个电子沿着不同轨道环绕着核运动。

是什么力量把电子束缚在原子里面呢？为什么它们要环绕着核运动，而不从原子中飞逸出去呢？这是因为带正电的原子核与带负电的电子间有电的吸引力在作用着。

任何一种完整的原子，原子核所带的正电荷，刚好等于它外围所有电子所带的负电荷，所以整个原子就是一个不带电的、电性中和的粒子。值得注意的是，有些原子中电子数目比较多，它们分布在几层轨道上（见图8）。那些靠近原子核轨道上的电子与原子核的吸引力比较强，所以不容易脱离原子核。但是，最外层轨道上的电子，受核的吸引力比较弱，所以容易脱离原子核的束缚，跑到轨道外面去，成为“自由电子”。这就好象一个老师在讲话，周围站着一些听讲的学生。只有个别学生离开老师跑到别处去看热闹了。

原子失去了最外层轨道上的电子后，它的电性中和就破坏了，这个原子就变成带正电的正离子。飞出轨道的电子也可能被另外的原子所吸收，这个吸收了电子的原子就成为带负电的负离子（见图9）。原来处于中性状态的原子，由于失去电子或额外地获得电子变成带电离子的过程，叫做电离。

讲到这里，摩擦起电的现象就很容易理解了。当我们摩擦某些物体的时候，会使正电荷和负电荷互相分离。比如，用丝绸摩擦玻璃棒，玻璃棒表面的一部分电子就被“摩擦掉”，转移到丝绸上去，所以丝绸有了过多的负电荷，就带负电。同时，玻璃棒失去一部分电子，就带正电。（张学志 颜超 宋东生 编译）