電從何來

基礎

原子由帶正電的原子核和帶負電的電子組成;電荷積聚不動是靜電,持續流動是電流。電池和發電廠都是推動電荷流動的電源。

適合:中二科學 · 單元:電的使用 · 建議學習路徑第 5/19 課

學完呢課,你會識:
  • 靜電是電荷積聚不動;電流是電荷持續流動。
  • 原子由帶正電的原子核和帶負電的電子組成。
  • 摩擦令電荷轉移;同種電荷相斥,異種電荷相吸。
文體:科普知識有聲朗讀

文體小知識:科普知識文章用生活實例解釋科學概念,先看現象再講原理,讀完就能解釋日常見到的東西。

科學Science

§課文原文 Passage

1乾燥的冬天,用手摸門柄突然「啪」一下被電到;氣球在頭髮上蹭幾下就能貼在牆上 — 這些都是靜電。要明白電,得先走進看不見的微觀世界:所有物質都由原子組成,原子中心是帶正電的原子核,外圍是帶負電的電子。

2摩擦可以令電子由一件物件轉移到另一件:梳頭時電子跑到梳子上,梳子便帶了電,能吸引輕小的紙屑。積聚的電荷若突然釋放,就是放電 — 天空中的閃電,正是雲層與地面之間一次巨型放電。

3如果電荷不是一次過放完,而是沿導線持續定向流動,就是電流。推動電荷流動需要電源:電池把儲存的化學能轉為電能;家中的電則由發電廠大規模生產,經電纜送到每家每戶。

4下一課,我們把電池、導線和燈泡接成一個完整的電路,看看電流怎樣「行完一個圈」。

1重點摘要 Summary

原子由帶正電的原子核和帶負電的電子組成;電荷積聚不動是靜電,持續流動是電流。電池和發電廠都是推動電荷流動的電源。

2生字卡 Vocabulary

S
Static electricity靜電

電荷積聚在物件表面而不流動的現象,例如梳頭後梳子吸起碎紙。

E
Electric charge電荷

物質的基本性質,分正電荷與負電荷;同種電荷相斥,異種電荷相吸。

A
Atom原子

構成物質的基本單位,由中心的原子核和外圍的電子組成。

E
Electron電子

帶負電荷、繞原子核運動的微粒;金屬中部分電子可以自由流動。

N
Nucleus原子核

原子中心帶正電的部分,由質子和中子組成。

E
Electric current電流

電荷的定向流動;在金屬導體中就是自由電子的流動。

B
Battery電池

把化學能轉為電能的電源,推動電子在電路中流動。

D
Discharge放電

積聚的電荷突然釋放並中和的現象,例如閃電。

P
Power station發電廠

大規模產生電能的設施,經電纜把電力輸送到家庭和工廠。

3逐步講解 Steps

  1. 靜電初體驗靜電是我們最早接觸的電現象:用膠梳梳乾燥的頭髮多次,梳子便能把小紙屑吸起,因為梳頭時電荷由頭髮轉移到梳子,梳子帶了電,能吸引輕小物件。頭髮越乾燥,電荷越容易積聚,所以冬天和乾燥天氣下現象特別明顯,潮濕時水汽把電荷帶走,現象便減弱。脫毛衣時的劈啪聲,也是靜電放電的結果。
  2. 原子與電荷一切物質由原子組成,原子中心是帶正電的原子核,外圍是帶負電的電子繞著運行。正常情況下,正電荷與負電荷數目相等,互相抵消,原子整體不帶電。電子一旦離開原子,該原子便因正電荷多於負電荷而帶正電;得到多餘電子的原子則帶負電。帶電的原子或分子統稱為離子。
  3. 摩擦起電兩件不同物料互相摩擦,電子便會由一件轉移到另一件:氣球在毛衣上摩擦後帶了多餘的負電荷,因此能吸在牆上,直到電荷慢慢流失。要留意摩擦只是轉移電荷,並沒有製造新電荷,電荷總數不變,這符合電荷守恆。不同物料對電子的吸引能力不同,所以摩擦後才會一得電子、一失電子。
  4. 同斥異吸電荷之間有明確的相互作用規律:同種電荷互相排斥,異種電荷互相吸引。兩支被同一塊布摩擦過的膠棒帶同種電荷,放近時會互相推開;膠棒與毛皮帶異種電荷,則會互相吸引。所以判斷兩件物件會吸還是斥,先要弄清它們各帶什麼電荷。靜電越強,吸力或斥力便越明顯,甚至見到火花。
  5. 靜電變電流靜電與電流本質相同,分別在於電荷怎樣流動:閃電是雲與雲、雲與地之間積聚的大量電荷一次過放電,時間極短;如果電荷沿導線持續地定向流動,便形成電流,可以源源不絕地推動電器。電池和發電廠的作用,正是把一次性的放電變成穩定持續的電流,供我們長時間使用。
  6. 電源的角色電源是電路的心臟:電池把化學能轉為電能,不斷推動電子沿電路流動;家中的電則由發電廠產生,經電纜和電線網絡送到每個插座。沒有電源推動,電荷便不會持續流動,燈泡也不會亮。電池適合攜帶和使用於流動裝置,市電則能提供大功率,兩者互補,滿足不同場合的需要。

4圖解 Diagrams

原子與電荷 Inside an atom++000−−原子核 Nucleus:質子 + proton · 中子 neutron電子 − Electron細到睇唔到,喺軌道運行平時:質子數 = 電子數 → 唔帶電 neutral電子走甩或多了 → 帶電 charged;電荷持續流動 → 電流 current
圖 1:原子與電荷模型
靜電 vs 電流 Static electricity vs electric current靜電 Static electricity電流 Electric current氣球摩擦起電紙屑被吸起static attracts電荷積聚喺物件表面不動例:脫衫啪啪聲、氣球吸頭髮電池推動電荷沿電路持續流動battery drives charges round the loop閃電=雲層積聚嘅靜電一次過放電 Lightning is static electricity discharging on a giant scale
圖 2:靜電與電流對照

5例題示範 Example

例題:冬天脫毛衣時常聽到「劈啪」聲,黑暗中甚至見到小火花。用靜電概念解釋。

  1. 脫衣時毛衣與內裏衣物互相摩擦,電荷轉移並積聚在衣物表面。
  2. 積聚的電荷越來越多,與皮膚之間形成很大的電位差。
  3. 電荷突然跳過空氣放電,令電荷互相中和。
  4. 放電令空氣急速受熱發光,所以見到火花、聽到劈啪聲。
  5. 答案:脫衣時毛衣與其他衣物摩擦,電荷經摩擦轉移並在衣物表面積聚;積聚越多,與皮膚之間的電位差越大,最後電荷突然跳過空氣放電,令正負電荷中和。放電令空氣急速受熱發光,因此在黑暗中看見火花,並聽到劈啪聲。這正是摩擦起電、積聚、放電的完整過程。

6常見錯誤 Mistakes

✗ 「摩擦會製造新電荷。」
✓ 摩擦只令電荷由一件物件轉移到另一件,電荷總數不變(電荷守恆)。
✗ 「靜電同電流完全沒有關係。」
✓ 兩者都是電荷現象:靜電是電荷積聚不動,電流是電荷持續流動;閃電正是靜電放電。
✗ 「電子帶正電。」
✓ 電子帶負電;原子核內的質子才帶正電。
✗ 「電池儲存了好多電子。」
✓ 電池儲存的是化學能,作用是推動電子流動,並非儲存電子。

75 題快測 Quick check

Q1梳過乾燥頭髮的膠梳能吸起碎紙,這是什麼現象?

Q2電子帶什麼電荷?

Q3同種電荷與異種電荷的相互作用有何不同?

Q4電池把什麼能量轉換為電能?

Q5閃電屬於靜電還是電流?為什麼?

8重點回顧 Recap

  • 靜電是電荷積聚不動;電流是電荷持續流動。
  • 原子由帶正電的原子核和帶負電的電子組成。
  • 摩擦令電荷轉移;同種電荷相斥,異種電荷相吸。
  • 閃電是大量電荷瞬間放電的自然現象。
  • 電池把化學能轉為電能,推動電子在電路中流動。

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