什麽是電？
電的實質
電的現象無處不在，那麽電究竟是什麽呢？
電是物質運動的壹種形式，它是物質內所含的電子等載著流子運動時的壹種能量表現形式。因此，從實質上講，電是壹種能量，常稱作電能。
電在人們的生產和生活中得到了極其廣泛的應用，如通電後可以使電燈發光或電爐發熱（稱電的熱效應）；可以使電動機轉動（稱電的動力效應）；可以進行電解（稱電的化學效應）；電磁鐵會產生強大的吸引力（稱電的磁效應）等等。可見，電具有許多功能，它可以轉化為其他多種形式的能量，因而，人們通常把以電功率表示的電能稱為電力。
要想從本質上進壹步弄懂電究竟是什麽，必須先了解物質的電結構。近代科學的大量實驗證明，任何物質都是由分子組成的，分子又由保持原物質屬性的原子組成。原子是由原子核和電子組成的，原子核內還包含有質子與中子。
由於中子不帶電，但質子帶正電，所以原子核帶正電，而電子則帶負電。正常情況下，原子核所帶的正電與電子所帶的負電數量相等，因而平常原子（乃至物質）便不顯帶電狀態。電子圍繞著原子核按壹定軌道運轉，好像宇宙天體中的太陽系裏各行星與太陽間的關系那樣，處在外層軌道上的電子與原子核之間的聯系比較薄弱。當電子在外界因素（如光、熱、外力等）的影響下獲得了壹定能量後，就可能會脫離原子核對它的吸引與束縛而跑出軌道成為自由電子，使該物體因缺少了負電而呈現帶正電的狀態，另壹種獲得了自由電子的物體則帶負電。
電學發展簡史
“電”的詞語在西方是從希臘文“琥珀”壹詞轉意而來的，在中國則是從雷閃現象中引出來的。自18世紀中葉以來，對電的研究逐漸開展起來。人類對電的每項重大發現都引起廣泛的實用研究，從而促進科學技術的飛速發展。
現今，人類生活、科學技術活動以及物質生產活動都離不開電，難以想象沒有電的世界會是什麽樣子。隨著科學技術的發展，某些帶有專門知識的研究內容逐漸獨立，形成專門的學科，如電子學、電工學等。電學又可稱為電磁學，是物理學中具有重要意義的基礎性學科。
有關電的記載可追溯到公元前6世紀。早在公元前585年，希臘哲學家泰勒斯已記載了用木塊摩擦過的琥珀能夠吸引碎草等輕小物體，後來又有人發現摩擦過的煤玉也具有吸引輕小物體的能力。在以後的2000多年中，這些現象僅僅被看成與磁石吸鐵壹樣，屬於物質具有的性質，此外沒有什麽其他重大的發現。
1600年，英國物理學家吉伯發現，不僅琥珀和煤玉摩擦後能吸引輕小物體，而且相當多的物質經摩擦後也都具有吸引輕小物體的性質。約在1660年，馬德堡的蓋利克發明了世界上第壹臺摩擦起電機。
18世紀，電的研究迅速發展起來。1729年，英國的格雷在研究琥珀的電效應是否可傳遞給其他物體時，發現導體和絕緣體的區別：金屬可導電，絲綢不導電，並且他第壹次使人體帶電。格雷的實驗引起法國學者迪費的註意。1733年，迪費發現絕緣起來的金屬也可摩擦起電，因此他得出所有物體都可摩擦起電的結論。他把玻璃上產生的電叫做“玻璃的”，琥珀上產生的電與樹脂產生的相同，叫做“樹脂的”。他得出：帶相同電的物體互相排斥；帶不同電的物體彼此吸引。
1745年，荷蘭萊頓的穆申布魯克發明了能“保存”電的萊頓瓶。萊頓瓶的發明為電的進壹步研究提供了條件，它對於電的知識的傳播起到了重要的作用。
差不多同時，美國的科學家富蘭克林做了許多有意義的工作，使得人們對電的認識更加豐富。1747年，他根據實驗提出電是壹種流體，且具有不凡特性：在正常條件下電是以壹定的量存在於所有物質中的壹種元素；電跟流體壹樣，摩擦的作用可以使它從壹物體轉移到另壹物體，但不能創造；任何孤立物體的電總量是不變的，這就是通常所說的電荷守恒定律。他把摩擦時物體獲得的電的多余部分叫做正電，物體失去電而不足的部分叫做負電。從此，對這兩種性質截然相反的不同的帶電狀態給定了正式名稱。接著在1752年震撼世界的“風箏實驗”的成功，驗證了雷與電的內在關系。18世紀後期開始了電荷相互作用的定量研究。1776年，普裏斯特利發現帶電金屬容器內表面沒有電荷，猜測電力與萬有引力有相似的規律。1769年，魯賓孫通過作用在壹個小球上電力和重力平衡的實驗，第壹次直接測定了兩個電荷相互作用力與距離二次方成反比。1773年，卡文迪什推算出電力與距離的二次方成反比，他的這壹實驗是近代精確驗證電力定律的雛形。1782年，意大利物理學家伏特成功研制了蓄電池。雖然這類電源十分原始，但電池的發明，卻是由靜電發展到動電的重大突破，並促使電的研究得到迅速的發展。
1785年，法國物理學家庫侖設計了精巧的扭秤實驗，直接測定了兩個靜止點電荷的相互作用力與它們之間的距離二次方成反比，與它們的電量乘積成正比的庫侖定律，庫侖的實驗得到了世界的公認，從此電學的研究開始進入科學行列。
化學電源發明後，很快發現利用它可以做出許多不尋常的事情。1800年，卡萊爾和尼科爾森用低壓電流分解水；同年裏特成功地從水的電解中搜集了兩種氣體，並從硫酸銅溶液中電解出金屬銅；1807年，戴維利用龐大的電池組先後電解得到鉀、鈉、鈣、鎂等金屬；1811年，戴維利用2000個電池組成的電池組制成了碳極電弧；從19世紀50年代起它成為燈塔、劇院等場所使用的強烈光電源，直到19世紀70年代才逐漸被愛迪生發明的白熾燈所代替。此外伏打電池也促進了電鍍的發展，電鍍是1839年由西門子等人發明的。
雖然早在1750年，富蘭克林已經觀察到萊頓瓶放電可使鋼針磁化，甚至更早在1640年，已有人觀察到閃電使羅盤的磁針發生旋轉，但到19世紀初，科學界仍普遍認為電和磁是兩種獨立的作用。與這種傳統觀念相反，丹麥的自然哲學家奧斯特接受了德國哲學家康德和謝林關於自然力統壹的哲學思想，堅信電與磁之間有著某種聯系。1807年，丹麥學者奧斯特發現了導體通電後，它附近的小磁針就會發生偏轉的現象，結果證實了這種使磁針偏轉的電流具有磁效應。他斷言當導體中有電流通過時，周圍就會伴有磁場產生。這壹電能生磁的重大發現，揭示了電現象與磁現象之間的內在聯系，從而奠定了電磁學研究領域的基礎。電流磁效應的發現開拓了電學研究的新紀元。
電流磁效應的發現打開了電的應用的新領域。1825年，斯特金發明電磁鐵，為電的廣泛應用創造了條件。1833年，高斯和韋伯制造了第壹臺簡陋的單線電報；1837年，惠斯通和莫爾斯分別獨立發明了電報機，莫爾斯還發明了壹套電碼，利用他所制造的電報機可通過在移動的紙條上打上點和短橫線來傳遞信息。1861年，貝爾發明了電話，作為收話機，它仍用於現代，而其發話機則被愛迪生發明的碳發話機以及休士發明的傳聲器所改進。
法拉第在電磁感應的基礎上制出了第壹臺發電機。此外，他把電現象和其他現象聯系起來廣泛進行研究。1882年，法國物理學家安培提出了關於電流使磁針受到力作用的電動力學原則，以及如何判定由電流產生磁場方向的安培右手定則（右螺旋定則）。它指出了電與磁既具有同壹性，且電磁作用應采用“電流的相互作用”這壹提法加以統壹描述。1826年，英國愛爾蘭的著名物理學家歐姆，在電流的研究中引入了電阻這壹概念，在進行了大量實驗後終於發現了控制電流的規律，歸納出了著名的歐姆定律：在任壹通有電流的閉合電路中，電流強度與電動勢成正比、而與電路總電阻成反比。後經另壹位德國科學家基爾霍夫（也曾譯為克希荷夫）進壹步的研究，又提出了解決任意電路、特別是復雜電路的節點電流定律與回路電壓定律。1827年，美國科學家亨利研制成功了強力電磁鐵，並采用圓筒形線圈進行試驗，來觀察壹個回路中接通與切斷電流時的火花變化，從而發現並提出了自感現象。1828年，德國科學家高斯設計制成了測磁針、磁側角計等，並采用磁偏角、磁傾角和磁強度這三個要素來描述地磁。1831年8月，英國物理學家、化學家法拉第，在進行了長達9年的反復研究後，終於發現了磁也能生電的規律，即動磁生電的規律，進壹步明確了電與磁的關系並提出了磁力線概念。正是這項電磁感應的偉大發現，為後來發電機等電氣設備的發明奠定了理論基礎。1833年，俄國科學院院士楞次在其論文中闡述了磁場的變化不能突變的觀點，並說明這是由於受感應電動勢的反抗作用而引起的，因而，楞次定律又被人們稱為電磁慣性定律。同時由此，他提出了確定感應電動勢方向的楞次定則，它比用右手定則判定感應電動勢方向具有更加普遍的意義。此外，他與英國物理學家焦耳幾乎同時在不同地點發表了關於電流熱效應的研究成果，即電阻上產生的熱量與所通過電流的平方、電阻大小及通電時間三者成正比，後人稱之為焦耳—楞次定律或簡稱焦耳定律。1833年，法拉第成功地證明了摩擦起電和伏打電池產生的電相同，1834年發現電解定律，1845年發現磁光效應，並解釋了物質的順磁性和抗磁性，他還詳細研究了極化現象和靜電感應現象，並首次用實驗證明了電荷守恒定律。
1856年，英國科學家麥克斯韋除把庫侖定律、安培定律及法拉第定律綜合起來外，還提出了所謂位移電流的概念。在原有電磁學理論中引進了場的概念，並建立了麥克斯韋電磁場（微分）方程，這是電學發展史上又壹光輝的裏程碑。他認為是由於空間裏某種稱為以太的物質傳播了電磁力，從而否定了名噪壹時的牛頓超距作用。1873年，他又用過渡方程說明了在空間裏隨時間變化的電場和磁場是相互依存的。認為變化的電場性質能產生磁場，反之也是這樣，從而推論出電磁場將以光速在真空裏傳播能量及光的電磁質。1887年，德國科學家赫茲成功地進行了用人工方法產生電磁波的實驗，從而證實了麥克斯韋預言的正確性。
電磁感應的發現為能源的開發和廣泛利用開創了嶄新的前景。1866年，西門子發明了可供實用的自激發電機；19世紀末實現了電能的遠距離輸送；電動機在生產和交通運輸中得到廣泛使用，從而極大地改變了工業生產的面貌。
麥克斯韋認為，變化的磁場在其周圍的空間激發渦旋電場；變化的電場引起媒質電位移的變化，電位移的變化與電流壹樣可以在周圍的空間激發渦旋磁場。麥克斯韋明確地用數學公式把它們表示出來，從而得到了電磁場的普遍方程組——麥克斯韋方程組。法拉第的磁力線思想以及電磁作用傳遞的思想在其中得到了充分的體現。
1888年，赫茲根據電容器放電的振蕩性質，設計制作了電磁波源和電磁波檢測器，可以通過實驗檢測電磁波，測定了電磁波的波速。他還觀察到電磁波與光波壹樣，具有偏振性質，能夠反射、折射和聚焦。從此，麥克斯韋的理論逐漸為人們所接受。
麥克斯韋電磁理論通過赫茲電磁波實驗的證實，開辟了壹個全新的領域——電磁波的應用和研究。1895年，俄國人波波夫和意大利的馬可尼分別實現了無線電信號的傳送。後來馬可尼將赫茲的振子改進為豎直的天線；德國的布勞恩進壹步將發射器分為兩個振藕線路，為擴大信號傳遞範圍創造了條件。1901年，馬可尼第壹次建立了橫跨大西洋的無線電聯系。電子管的發明及其在線路中的應用，使得電磁波的發射和接收都成為易事，推動了無線電技術的發展，極大地改變了人類的生活。特別值得壹提的是貝爾發明了電話，他在1876年2月14日在美國專利局申請了電話專利權。
1896年，洛倫茲提出的電子論，將麥克斯韋方程組應用到微觀領域，並把物質的電磁性質歸結為原子中電子的效應。這樣不僅可以解釋物質的極化、磁化、導電等現象以及物質對光的吸收、散射和色散現象，而且還成功地說明了關於光譜在磁場中分裂的正常塞曼效應。此外，洛倫茲還根據電子論導出了關於運動介質中的光速公式，把麥克斯韋理論向前推進了壹步。
在法拉第、麥克斯韋和洛倫茲的理論體系中，假定了有壹種特殊媒質“以太”存在，它是電磁波的荷載者，只有在以太參照系中，真空中光速才嚴格地與方向無關，麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式也只在以太參照系中才嚴格成立。這意味著電磁規律不符合相對性原理。關於這方面問題的進壹步研究，導致了愛因斯坦在1905年建立了狹義相對論，狹義相對論的建立不僅發展了電磁理論，並且對以後理論物理的發展具有巨大的作用。
隨著電力科學的不斷發展，人類自19世紀70年代起，在電力應用技術方面的發明創造也同時獲得了驚人的突破。1879年，美國科學家、發明家愛迪生發明並多次改進了白熾燈，後又發明了熔絲（當時是用鋅絲）。愛迪生壹生的各項發明創造，包括發電機、自動電報機、打字機、留聲機以及新型蓄電池等，對人類作出了不朽的貢獻。當時世界上已出現了單相交流電及單相同步發電機，但僅被應用在照明上。工業上用的交流電動機，最初也只是單相交流異步電動機。由於不能自行啟動，它的使用受到了很大限制。1881年，愛迪生發明了交流發電機，1882年，法國的蓋拉勒和英國的格布斯發明了磁路式變壓器。1888年，俄國工程師德布羅夫斯基和德爾伏創建了三相交流制。1889年，三相交流電由試驗到應用獲得成功，並建立了世界上第壹條三相制線路。不久，三相發電機及電動機相繼問世，這就為三相交流制在世界上的普遍應用奠定了基礎。自1890年采用三柱鐵芯的三相變壓器問世後，三相異步電動機就得到廣泛應用，工業動力便很快被它所代替。這就使得電能在工業生產上的應用獲得了迅速發展，並且逐步取代了蒸汽等動力源。到20世紀初，人類便結束了自1796年由英國瓦特發明蒸汽機起所開創的蒸汽時代，跨入了更為先進的電氣時代。可見就三相交流制應用技術及電力事業的創建與發展來說，世界上從創造、試驗到普遍應用，至今還僅為壹百多年的時間。
電場
電場，是電荷及變化磁場周圍空間裏存在的壹種特殊物質。電場這種物質與通常的實物不同，它不是由分子原子所組成，但它是客觀存在的。電場具有通常物質所具有的力和能量等客觀屬性。電場的力的性質表現為：電場對放入其中的電荷有作用力，這種力稱為電場力。電場的能的性質表現為：當電荷在電場中移動時，電場力對電荷做功（這說明電場具有能量）。