第十节电磁效应的发现——奥斯特
1777年，奥斯特出生在丹麦鲁兹克宾城的一个药剂师家庭，1794年考入哥本哈根大学，1799年获哲学博士学位。后到德国和法国游学，受到康德和谢林关于自然力统一思想的熏陶。回国后，从事物理和化学方面的研究。在康德哲学的引导下，奥斯特坚信电现象和磁现象有着共同的根源。于是，他开始了这一方面的研究。
18世纪，富兰克林发现的“莱顿瓶”放电能使钢针磁化的现象对奥斯特启发很大，他认为电转化为磁是完全可能的，而如何来实现是最重要的问题。开始时，奥斯特根据电流通过直径较小的导线会发热的现象推测：如果通电导线的直径进一步缩小，那么导线就会发光，如果直径缩小到一定程度，就会产生磁效应。
奥斯特按照这一思路摸索了许多年，并没有发现电向磁转化的现象，但他并不气馁，一直坚持进行实验。1820年，奥斯特授命主持一个电磁的讲座。一天晚上，他正在讲课，“灵感”顿生，在讲课结束时说：“让我把通电导线与磁针放到一起来看看。”于是，他在一个小伽代尼电池的两极之间接上一根很细的铂丝，在铂丝正下方旋转一枚磁针，接通电源后，小磁针竟然微微地跳动了，而且还转到与铂丝垂直的方向。小磁针的摆动，对于听课的那些人来说并没有什么，但对奥斯特来说却具有重大的意义。盼望已久的现象，今天终于出现了。后来，他在试验中改变电流方向，发现小磁针向相反方向偏转，说明电流方向与磁针转动之间有着某种联系。
为了弄清楚这些现象，奥斯特做了大量的实验。他把磁针分别放在导线的上方、下方，以此考察电流对磁针作用的方向；把磁针放在距导线不同的距离，以此考察电流对磁针作用的强弱；把玻璃、金属、木头、石头、松脂等放在磁针和导线之间，以此考察电流对磁针的影响。
工夫不负有心人！1820年7月21日，奥斯特在发表题为《关于磁针上电流碰撞的实验》的论文中，仅仅用了4页纸就向科学界清楚地说明了他的这一实验，向科学界宣布了电流的磁效应。在当时，这一发现引起很大的震动。这一发现具有划时代的意义，同时也标志着电磁时代的到来。为了纪念奥斯特的功绩，人们把磁场强度的单位命名为“奥斯特”。
第十一节交流电
1．交流电简介
本书主要介绍了电的基本知识、基本概念，电在农业、工业、家庭等的应用以及新能源的探索，而且还介绍许多关于电的趣味小百科，阅读本书将带给广大青少年朋友一个陌生而又熟悉的世界！
交流电也称“交变电流”，简称“交流”。一般指大小和方向随时间作周期性变化的电压或电流。它的最基本形式是正弦电流。
在我国，交流电供电的标准频率规定为50赫兹。交流电随时间变化，其形式多种多样。不同变化形式的交流电其应用范围和产生的效果也各不相同。以正弦交流电应用最为广泛，且其他非正弦交流电一般都可以经过数学处理后，成为正弦交流电的叠加。
正弦电流，又称简谐电流。我们今天所使用的交流电，一般是方向和强度每秒改变50次的。
在生活中，我们常见的电灯、电动机等用的电都是交流电。在实用中，交流电用符号“～”表示。
正弦交流电需用频率、峰值和位相三个物理量来描述。交流电所要讨论的基本问题是电路中的电流、电压关系以及功率（或能量）的分配问题。由于交流电具有随时间变化的特点，因此产生了一系列与直流电路区别的特性。在交流电路中使用的元件不仅有电阻，而且有电容元件和电感元件，使用的元件多了，现象和规律就复杂了。
2．交流电的火线和零线
零线始终和大地是等电位的。如果在0秒时与零线电位相同，火线上对地电压为0；0.005秒后，火线上对地电压达到最大，为高于大地311V；再过0.005秒后，火线上对地电压又降为0；再过0.005秒，火线上对地电压又降为最低点，低于大地311V；再过0.005秒，又重新上升到与零线电位相同，火线上对地电压为0。
由此可知，交流电虽周期改变电流方向，但零线对地电压始终是相同的，为0。接用电器后零线有电流，电流变化规律与电压相同。
3．交流电的频率和周期
频率是表示交流电随时间变化快慢的物理量。即交流电每秒钟变化的次数叫频率，用符号f表示。它的单位为周／秒，也称赫兹，常用“Hz”表示，简称周或赫。例如，市电是50周的交流电，其频率为f=50周／秒。对较高的频率还可用千周（kC）和兆周（MC）来表示。
1千周（kC）=103周／秒1兆周（MC）=103千周（kC）=106周／秒例如，我国第一颗人造地球卫星发出的讯号频率是20.009兆周，即它发出的是每秒钟变化20.009×106次的交变讯号。
交流电正弦电流的表示式中i=Asin(ωt+φ)中的ω称为角频率，它也是反映交流电随时间变化的快慢的物理量。角频率和频率的关系为ω=2πf。
此外，交流电随时间变化的快慢，还可以用周期这个物理量来描述。交流电变化一次所需要的时间叫周期，用符号T表示。周期的单位是秒。显然，周期和频率互为倒数，可表示为T=1/f。
由此可见，交流电随时间变化越快，其频率f越高，周期T越短；反之，频率f越低，周期T越长。
4．交流电流的峰值
简谐函数，又称简谐量，是时间的周期函数。其简谐电流为i=Imsin(ωt+φ)。其中的Im叫做电流的峰值，i为瞬时值。值得注意的是，峰值和位相是按上式中Im为正值的要求定义的。如对下面形式的函数i=-5sin（ωt+α），不应认为峰值为-5、初相为+α，而应把函数先写成i=5sin（ωt+α+π），这样就可以看出其峰值为5，初位相为α＋π。
5．交流电流的有效值
在交流电变化的一个周期内，交流电流在电阻R上产生的热量相当于多大数值的直流电流在该电阻上所产生的热量，实际上，此直流电流的数值就是该交流电流的有效值。例如，在同样两个电阻内，分别通以交流电i（t）和直流电I，通电时间相同，如果它们产生的总热量相等，就说明这两个电流是等效的。交流电的有效值通常用U或（I）来表示。U表示等效电压，I表示等效电流。有效值，有时也可称为“平均根值”。对于正弦交流电而言，则有i=Imsinωt。
通常情况下，交流电表都是按有效值来刻度的。一般不作特别说明的时候，交流电的大小均指有效值。例如，市电220伏特，就是指其有效值为220伏特。
6．交流电的平均值
在半周期内，交流电通过电路中导体横截面的电量Q和其一直流电在同样时间内通过该电路中导体横截面的电量相等时，这个直流电的数值就称为该交流电在半周期内的平均值。
对于正弦交流电流而言，即i=Imsinωt。
正弦交流电在上半周期内，一定量的电量以某一方向流经导体的横截面，在下半周期内，同样的电量却以相反的方向流经导体的横截面。所以在一个周期内，流经导体横截面的总电量等于0，正弦交流电的电流平均值等于0。如果直接用磁电式电表来测量交流电流，将发现电表指针并不发生偏转。
这是因为交流电流一会儿为正，一会儿为负，在这种情况下，磁电式电表的指针是无法适应的。
正弦交流电经半波整流后，其平均值只有有效值的0.45倍。
7．交流电路中的欧姆定律
在交流电路中，电压、电流的峰值或有效值之间关系和直流电路中的欧姆定律相似，其等式为U=IZ或I=U/Z，式中Z、U都是交流电的有效值，Z为阻抗，该式就是交流电路中的欧姆定律。
8．交流电功率
在交流电中电流、电压都随时间而变化，因此电流和电压的乘积所表示的功率也将随时间而变化。交流电功率可分为：瞬时功率、有功功率、视在功率（又叫做总功率）以及无功功率。瞬时功率（Pt）由瞬时电流和电压的乘积所表示的功率。
Pt=i(t)×u(t)，它随时间而变。对任意电路，i与u之间存在着相位差（it）=Imsinωt，u（t）=Umsin（ωt＋φ）。
即在纯电阻电路中，电流和电压之间无相位差，即φ=0，瞬时功率Pt=IU位时间内所用的能量，或在一个周期内所用能量和时间的比。在纯电阻电路中，纯电阻电路中有功功率和直流电路中的功率计算方法表示完全一致，电压和电流都用有效值计算。
以上说明电感电路和电容电路中能量只能在电路中互换，即电容与电源、电感与电源之间交换能量，对外无能量交换，所以它们的有功功率为零。对一般电路的平均功率为视在功率（S）。在交流电路中，电流和电压有效值的乘积叫做视在功率，即S=IU。它可用来表示用电器本身所容许的最大功率（即容量）。无功功率（Q）。
在交流电路中，电流、电压的有效值与它们的相位差φ的正弦的乘积叫做无功功率，即Q=IUsinφ。它和电路中实际消耗的功率无关，而只表示电容元件、电感元件和电源之间能量交换的规模。有功功率、无功功率和视在功率之间的关系。
第十二节变压器
两个（或多个）有互感耦合的静止线圈的组合叫做变压器。变压器的通常用法是一个线圈接交变电源，而另一线圈接负载，通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载中。
