2.1　電學基礎知識

2.1.1　電場與電勢

（1）電荷與庫侖定律。電是一種籠統的說法，實際上通常所說的“電”指的是電荷，它來源于原子內部。物體含有等量的兩種電荷：正電荷和負電荷。由于電荷的這種平衡，物體是呈電中性的。如果兩種類型的電荷不平衡，則有凈電荷，我們就說物體帶電，以表明其電荷的失衡或有凈電荷。

就像質量一樣，電荷也是粒子的基本性質。原子中電子帶負電荷，質子帶正電荷，大小都為e。元電荷e是自然界的重要常量之一（e=1.60×10^-19C）。雖然夸克和反夸克具有±e/3或±2e/3的電荷，但很明顯它們不能被單獨探測到，所以不把它們的電荷取為元電荷。

如果想讓一個物體帶電，可以通過摩擦、感應、加熱、光照等方式使電子在物體間轉移。粒子失去電子帶正電，得到電子帶負電。電子或荷電粒子的定向移動形成電流。當然，如果質子能從原子核里跑出來，物體也會帶電，不過實際中很少有這樣的情況發生。

實驗證明，當一種電荷出現時，必然有等量的異號電荷出現；當一種電荷消失時，也必然有等量的異號電荷同時消失。例如用絲綢摩擦玻璃棒時，正電荷出現在棒上，等量的負電荷必然出現在絲綢上。在一個與外界沒有電荷交換的系統內，不論發生什么樣的過程，系統內一切正、負電荷的總和是保持不變的，這就是電荷守恒定律。

設兩個相距r的點電荷具有電量q₁和q₂，則它們之間吸引或排斥的靜電力大小為：

式中，ε=ε₀ε_r，表示電荷所在介質的介電常數；ε₀為真空介電常數；ε_r為該介質的相對介電常數。上式以法國物理學家庫侖名字命名，叫做庫侖定律。

（2）電場。將帶電體置于空間，其周圍空間將發生電性改變（稱為場的畸變），其他帶電體會因此而感受到力的作用，這種發生電性改變的空間叫做電場。

電場已被證明是一種客觀實在，它也具有能量、質量和動量，它以光速運動（或傳播）。現代量子場論明確指出，物質存在的兩種基本形式中，場比微粒更為基本。

電場的基本性質是對場中的其他電荷施有作用力，于是電荷之間通過電場相互作用。具有電量q的點電荷產生的場強為：

均勻帶電球殼內部場強為零，如果帶電粒子放在均勻帶電球殼的內部，則它不受來自球殼的靜電力作用。均勻帶電球殼吸引或排斥球殼外的帶電粒子，就好像全部的球殼電荷都集中在其中心一樣，即其外部場強與電荷都集中球心產生的場強相同。

（3）電勢能、電勢、電勢差。與物體在重力場中具有重力勢能一樣，電荷在電場中也具有相應的電勢能。當電荷的位置變動時，電場做功，電勢能隨之改變。我們用電場力的功作為電勢能變化的量度。電勢能的減少量等于電場力所做的功。電勢能是一個相對量，要決定電荷在電場中某一點的電勢能，必須先選擇一個參考點，并設該點的電勢能為零。一般這個參考點可任意選擇。

在電場中，逆向施加與電場力平衡的外力把+1C的試探電荷從零電勢參考點（一般選無窮遠處為零電勢參考點）沿任意路徑移到場點A，此過程中外力做的功定義為A點的電勢V_A。或者說，A點的電勢V_A為把單位正電荷從場點A沿任意路徑移到無窮遠處電場力作的功。當外力做功為1J時，V_A=1V，即1V=1J·C^-1。

試驗電荷在任何靜電場中移動時，電場力做的功僅與這個電荷的電量以及起點和終點位置有關，與路徑無關。在電場力推動下，正電荷從電勢高處向低處移動，負電荷從電勢低處向高處移動。因為電場力做功電勢能減少，所以，對于電子來說，電勢升高，電勢能降低；電勢降低，電勢能升高。

任意兩點A和B的電勢之差稱為電勢差，通常也稱為電壓。即A、B兩點間的電勢差等于把單位正電荷從A點移到B點電場力所做的功。應當指出，電勢只有相對意義，而電勢差卻有絕對意義。改變所選擇的零電勢參考點的位置，電場中各點的電勢數值將隨之改變，但兩點之間的電勢差卻與零電勢參考點的選擇無關。

2.1.2　導體及其在電場中的性質

能導電的物體稱為導體。電化學體系離不開導體。因此，在討論電化學體系以前，應當先了解導體的性質。

有些導體靠電子傳送電流，可稱之為電子導體或第一類導體。金屬、碳材料（如石墨、乙炔黑、石墨烯等）、半導體、高分子導電聚合物（如聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺等）等都屬于這類導體。另一類導體靠離子移動實現導電，稱為離子導體或第二類導體，例如電解質溶液、熔融電解質、室溫離子液體、無機固體電解質、聚合物電解質等。電化學的電極體系就是由一個電子導體（電極）和一個離子導體（電解質）相接觸而構成。

導體和電介質（也稱絕緣體）在電性質方面的差異是巨大的，導體有載流子——自由電子或離子，而絕緣體沒有。一般金屬良導體的電導率要比玻璃、塑料等電介質大10²⁰倍。

導體中存在可在電場作用下移動的電荷。當這些電荷受電場力作用時，會產生有規則的定向運動，形成電流。當這些電荷不做宏觀的定向運動，即導體無電流時，我們說導體處于宏觀的靜電平衡狀態。導體處于靜電平衡就要求導體內的電荷不受電場力作用而移動，即導體內各處的電場強度必須為零。

從導體內部各處的場強為零這一必要條件出發，可以推論、概括出靜電平衡時導體的電場和電荷分布情況：①導體是等勢體，導體的表面是等勢面；②導體表面任一點的場強方向都垂直于該點表面；③導體內部不帶電，如果導體帶電或出現感應電荷，這些電荷只能分布在導體表面；④導體表面任意處的面電荷密度均與該處的場強成正比。

兩個互不連接的導體構成的閉合、或近似閉合的導體空腔稱為電容器，這兩個導體稱為電容器的兩極板。例如平行板電容器、同軸柱形電容器等。電容器的電容是使電容器兩極板之間具有單位電勢差所需的電量。電容描繪電容器儲存電能的能力，取決于電容器的形狀、大小、相對位置等幾何性質，與是否帶電、帶電狀態如何無關，與外圍其他帶電體亦無關。電容器的電容還與其中填充的電介質的電容率有關。