第一章 纳米刀技术的发展史

第一节 自然界电现象

电（electricity）是一个物理学名词，是一种电子运动所带来的自然现象。早在2 500多年前，古希腊哲学家Thales（公元前624—公元前546年）（图1-1）就发现人们常随身佩戴的琥珀经摩擦后，会吸引羽毛或木屑，并将此称为“静电”。我国东汉时期的《说文解字》（公元100—121年）有记载“电，阴阳激燿也。从雨，从申”。中国古人认为电是自然现象，是通过“闪电”发现它的存在的，认为是阴气与阳气相激而生成的（图1-2）。明代梅膺祚1615年编成的《字汇》中，也有“雷从回，电从申。阴阳以回薄而成雷，以申泄而为电”的描述，中国古人对电方面的研究贡献不多，仅限于自然现象如雷电的观察认识。

图1-1　古希腊哲学家Thales

图1-2　自然界的闪电现象

1600年，英国科学家Gilbert（1544—1603年）（图1-3）多次实验发现“电力”“电吸引”等诸多现象，创造并使用了“电”这个词，在此之前人们将“电”称为“琥珀（amber）”，Gilbert被誉为“电学研究之父”；1660年，德国物理学家、工程师Guericke（1602—1686年）（图1-4）发明了一件原始的静电发生仪，由一个硫磺球和两个手柄组成，摇动其中一个，就会和另一个摩擦而产生静电。

图1-3　英国科学家Gilbert

图1-4　德国物理学家、工程师Guericke

1733年，法国科学家Charles Dufay（1698—1739年）（图1-5），根据吸引和排斥的原理把电荷分为两种，并以“玻璃电”和“琥珀电”命名。1747年，美国科学家Benjamin Franklin（1706—1790年）（图1-6），首次定义用丝绸摩擦过的玻璃棒带的电荷为正电荷（图1-7），用毛皮摩擦过的橡胶棒带的电荷为负电荷（图1-8）。

图1-5　法国科学家Charles Dufay

图1-6　美国科学家Benjamin Franklin

图1-7　用丝绸摩擦过的玻璃棒带的电荷为正电荷

图1-8　用毛皮摩擦过的橡胶棒带的电荷为负电荷

20世纪初，原子结构被发现，电的起源和原理才被比较精确的书面定义。物体是由分子和原子构成的，原子是由原子核和核周围高速运转的电子构成，电子带负电荷，原子核由带正电荷的质子和不带电荷的中子构成，质子的电荷量等于电子的电荷量，因此，原子呈中性（图1-9）。当摩擦时外部高速运转的电子转移到别的物体上，导致电荷分布不均衡，使失去电子的物体带正电荷，获得电子的物体带负电荷（图1-10）。带等量正、负电荷的两个物体接触时，正、负电荷会相互转移，使物体恢复到不带电的状态，即中和状态。中和发生的过程即是电子转移流动和放电的过程，伴随着放电的是光能、热能、声能释放和传播的现象。

图1-9　铁原子原子核及核外电子模式图

图1-10　聚乙烯棒和干布块摩擦发生电荷转移

polythene rod：聚乙烯棒。

电通常以静电单位库仑度量，1库仑（C）=1安培·秒（A·s），也就是说若导线中有1A的稳恒电流，则在1s内通过导线的横截面积的电量为1C。电荷的定向运动称为电流。在金属物质中，电流是电子在外电场力作用下的定向运动而形成的。在电解液中，电流是正、负离子在外电场力的作用下定向运动而形成的。在绝缘物质中几乎没有自由电子，在外电场力的作用下，绝缘物质中没有电流形成。电流的方向和大小随时间变化的电流称为交流电；电流的方向和大小不随时间做周期性变化的电流称为直流电。这里的外电场是电子定向移动的动力，称为电压；电子定向移动会遇到阻力，称为电阻，不同的物体电阻不同。