電學（electricity）又稱電磁學，是物理學的分支學科之一，也是物理學中頗具重要意義的基礎學科，研究內容主要是以“電”的形成及其應用為主?！半姟币辉~在西方是從希臘文“琥珀”轉意而來的，在中國則是從雷閃現象中引出來的。電學的基本內容包括靜電學、靜磁學、電磁場、電路、電磁效應和電磁測量。
關于電的記載最早可追溯到公元前6世紀，古希臘的利奧六世泰勒斯發現了用木塊摩擦過的琥珀能夠吸引碎草等輕小物體，中國的歷史上也有了關于電的相關記載。17世紀時英國物理學家威廉·吉爾伯特發現磁性的不同，在實驗過程中制作了第一只驗電器。18世紀時美國的科學家本杰明·富蘭克林做了多次實驗，借用數學上的正、負來代表電荷的性質，首次給出了正電和負電的名稱。法國科學家庫侖設計了著名的的扭秤實驗，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，稱之為庫侖定律。19世紀時英國科學家邁克爾·法拉第經過多次重復實驗后，提出了具有劃時代意義的電磁感應定律，并發明了世界上第一臺直流電動機，使電學有了飛速發展。詹姆斯·麥克斯韋在總結前人工作的基礎上，引入位移電流的概念，建立了一組微分方程——麥克斯韋方程組，它是電磁學的基本方程。20世紀時隨著原子物理學、原子核物理學和粒子物理學的不斷發展，經典電磁理論發展為量子電磁理論。
電學是一門范圍很廣泛的知識領域，它不僅是許多工程技術的基礎，而且在理論方面也同樣的重要，它推動人們去對物質世界作更深入更本質的認識。電燈、電話、發電機、電動機、計算機、人造衛星以及任何現代化的兵器都離不開電學基本原理的應用。可見，電學促進了生產力的發展，對人類社會是一門必不可少的科學。
基本概念
電荷
當物體之間有電相互作用時，我們說這些物體處于帶電狀態，稱其為帶電體，或者說物體有了電荷。通過對帶電體間相互作用規律的研究，人們發現電荷有兩種——正電荷和負電荷，以及他們之間存在著這樣的規律：同種電荷的相互排斥，異種電荷的相互吸引。通過實驗，可以根據物體間電相互作用強弱可以確定物體帶電多少。表示物體帶電多少的物理量稱為電荷量，簡稱電量，通常用q來表示。國際單位制中，電量的單位為庫侖，用C表示。
電壓
電荷在電場力的作用下形成電流，電壓是衡量電場力移動電荷做功能力的物理量，通常用字母“U”表示，國際單位為V（伏）。電路中，規定兩點之間由高電勢指向低電位，即電位降的方向為電壓的實際方向。電壓的方向一般用正負極性表示，“+”表示高電位端，“-”表示低電位端，也可以用雙下標表示，例如a、b之間的電壓，表示的參考方向是由a指向b，即。
電阻
電阻是指導體對電流阻礙作用的大小，一般用字母“R”表示，國際單位是歐姆（），計量高電阻時，常以千歐（）或兆歐（）為單位。導體的電阻越大，表示導體對電流的阻礙作用越大，反之亦然。不同的導體，電阻一般不同，電阻是導體本身的一種性質，它的大小一般與導體的材料、長度、橫截面積有關。
電流
電流是指電荷在電場的作用下的定向移動形成的，從微觀上看，電流實際上是帶電粒子的定向運動，通常把形成的帶電粒子稱為載流子。電流的大小稱為電流（簡稱電流，符號為I），是指單位時間內通過導線某一截面的電荷量，電流的國際單位為安培（A），其他的單位還有千安（kA），毫安（mA），微安（μA），1安培=1000毫安=1000000微安。電流是標量，歷史上把正電荷從高電勢向低電勢的方向規定為電流的方向，因而電流的方向與自由電子移動的方向相反。
電路
電路是由電子元器件或電子設備通過導線按照一定規則互連而成的電流通路，通常以網狀形式呈現。電路的狀態有三種：接通的電路叫通路；斷開的電路叫斷路；直接用導線把電源的兩極（或用電器的兩端）連接起來的電路叫短路。電路有兩種連接方法：一種是將幾個電阻按順序依次連在一起，組成無分支的電路，叫做串聯；另一種是把兩個或兩個以上的電阻接在電路中的兩點之間，使每一個電阻兩端都承受同一電壓的連接方式叫并聯。
歐姆定律
德國物理學家喬治·歐姆在1826年提出了“歐姆定律”，歐姆定律的內容是：在同一電路中，通過某段導體的電流與這段導體兩端的電壓成正比，與這段導體的電阻成反比。它的定義式為（式中的I、U和R都是同一段電路的物理量），通過這個公式我們也可以得到它的兩個變形公式“U=IR”和。
磁場
法國物理學家安德烈·安培通過實驗表明：磁鐵周圍存在磁場，電流周圍也有磁場，它們之間的相互作用是通過磁場進行的。它和電場一樣也是客觀存在的特殊物質，它對外界的重要表現是：磁場對進入其中的運動電荷產生洛倫茲力作用，對通電導體產生安培力作用；磁場會對在其中運動的通電導體做功，表明磁場具有能量。
電磁場理論
詹姆斯·麥克斯韋對庫侖、安培、邁克爾·法拉第等電磁學說的所有成果進行了較為系統的總結，并據此提出了渦旋電場與位移電流的假說，他指出：不但變化的磁場可以產生渦旋電場（有旋電場），而且變化的電場也可以產生磁場。在相對論產生之前，麥克斯韋就揭示了電場和磁場的內在聯系，把電場和磁場統一為電磁場，歸納出了電磁場的基本方程——麥克斯韋方程組，從而構建了一套完整的電磁場理論體系。
簡史
古代
關于電的記載最早可追溯到公元前6世紀。早在公元前585年，古希臘的利奧六世泰勒斯就曾記載用木塊摩擦過的琥珀能夠吸引碎草等輕小物體，而后來又有人發現摩擦過的煤精也具有吸引輕小物體的能力。但在隨后的兩千多年里，人們把這種現象看作是一種物質的特性，就像磁鐵對鐵塊的吸引，此外沒有什么其他重大的發現。
在中國的歷史上，早在西漢末年已有“玳瑁（玳瑁）吸（細小物體之意）”的記載；在晉朝時期，還有進一步關于摩擦起電引起放電現象的記載“今人梳頭，解著衣時，有隨梳解結有光者，亦有咤聲”。
17世紀
早在1600年，英國的物理學家威廉·吉爾伯特就發現，除了琥珀和煤玉，還有許多其他的的物質，在經過摩擦之后也具有吸引輕小物體的性質，但他注意到，這些物質經摩擦后并不像磁石那樣具備指向南北的性質。于是他采用希臘字母“琥珀”來表示它和磁性的區別，并將其命名為“電的”。吉伯在實驗期間制作了第一只驗電器，那是一根中心固定可以旋轉的金屬細棒，可以隨著摩擦過的琥珀移動而旋轉，并指向琥珀。
大約在1660年，馬格德堡的蓋利克發明了第一臺摩擦起電機，其工作原理是用硫做成一個如地球儀一樣可旋轉的球體，然后用干燥的手掌摩擦轉動球體，使之獲得電。蓋利克的摩擦起電機經過不斷改進，在靜電實驗研究中起著重要的作用，一直到19世紀霍耳茨和推普勒分別發明感應起電機后才被取代。
18世紀
1734年，法國的杜法伊發現摩擦玻璃棒或摩擦膠木棒時，棒上所帶電的性質不同，并發現“同性相斥、異性相吸”的現象。
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，為電學的深入研究創造了條件，也為電學的普及起到了重要作用。與此同時，美國的本杰明·富蘭克林在這一時期做了許多有意義的工作，使人類對于電學的知識得到了進一步的發展。1747年富蘭克林借用數學上的正、負來代表電荷的性質，首次給出了正電和負電的名稱。他認為等量異號的電荷相遇，將通過放電使正負電相抵消而中和。
1780年，意大利的科學家伽伐尼將萊頓罐的電流穿過青蛙的腿，看到了肌肉的肌肉痙攣收縮。他認為這種電現象可以通過肌肉收縮獲得，這一點是正確的，但是他未能提供證，他將這此效果歸為他所稱的“生物電”。
1785年，法國科學家庫侖設計了著名的的扭秤實驗，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。庫侖的實驗帶有直觀性和定量性質，成果發表之后就廣泛流傳并為科學界所接受，稱之為庫侖定律。之后，法國數學家泊松和德國約翰·卡爾·弗里德里?！じ咚?/a>根據庫侖定律推導出泊松方程和高斯定律。至此，靜電學的基礎已經形成。
19世紀
1800年意大利物理學家伏特發表了《關于不同導電物質接觸時產生電的問題》的論文，闡述了兩種金屬一接觸就產生電這一現象，并發明了在硫酸中放入銅與鋅電極的伏特電池，使電學的研究發生了一次變革，電壓的單位“伏特”就是以他的名字命名的。1807年，戴維利用龐大的電池組先后電解得到鉀、鈉、鈣、鎂等金屬；1810年，戴維把2000個伏特電池連在一起，進行了弧光放電實驗。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70年代才逐漸被托馬斯·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年由維爾納·馮·西門子等人發明的。
1820年，丹麥人漢斯·奧斯特發現了電流的磁效應。首次建立起電和磁之間的關系，誕生了電磁學。1820—1827年，法國物理學家安德烈·安培通過一系列實驗發現了安培定則（描述磁針轉動方向和電流方向關系的右手定則），發現了電流的相互作用規律（電流方向相同的兩條平行載流導線互相吸引，電流方向相反的兩條平行載流導線互相排斥），以及發明了電流計，提出了分子號流假說，總結了電流元之間的作用規律——安培定律（兩個電流元之間的相互作用與兩個電流元的大小、間距以及相對取向之間的關系）。
1831年，英國科學家邁克爾·法拉第經過多次重復實驗后，提出了具有劃時代意義的電磁感應定律（一個線圈中產生的感應電流，其大小與單位時間中線圈所割切的磁力線多少成正比，與線圈的電阻成反比），并發明了世界上第一臺直流電動機。法拉第的電磁感應定律，在電流生磁之后發現磁生電，使電磁之間的關系接近完備，有重大的理論意義，使電磁學有了飛速的發展。此外，法拉第把電現象和其他現象聯系起來廣泛進行研究，在1833年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，并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，并首次用實驗證實了電荷守恒定律。
1865年，詹姆斯·麥克斯韋在總結前人工作的基礎上，引入位移電流的概念，建立了一組微分方程——麥克斯韋方程組。它確定了電荷、電流（運動的電荷）、電場、磁場之間的普遍聯系，是電磁學的基本方程。
1887年，德國科學家赫茲進行了著名的電磁波實驗。實驗不僅證明了電磁波的存在，并且表明電磁波與光有同樣的反射、折射、散射等性質。他的發現具有劃時代意義，它不僅證實了麥克斯韋發現的真理，更重要的是開創了無線電電子技術的新紀元。為了紀念他的功績，人們用他的名字來命名各種波動頻率的單位。
后續發展
20世紀，隨著原子物理學、原子核物理學和粒子物理學的不斷發展，人們對電磁場和帶電粒子之間的相互作用的問題上，經典電磁理論遇到困難。盡管經典理論已經給出了很多有益的結論，但很多現象卻無法用經典理論來解釋的。經典理論理論存在兩個缺陷：一是沒有考慮到帶電粒子的波動特性，二是沒有考慮到電磁波的粒子性。
從量子物理學的角度來看，不管是物質粒子還是電磁場，它們都具有粒子性和波動性。在微觀物理研究的推動下，經典電磁理論發展為量子電磁理論。
研究對象
電學的研究基本內容主要包括靜電學、靜磁學、電磁場、電路、電磁效應和電磁測量。
靜電學
靜電學是研究靜止電荷產生電場及電場對電荷作用規律的學科。電荷分為兩種，一種是正電荷，一種是負電荷，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。由電荷守恒定律可知，電荷可以在物質之間傳遞，但是在物理過程中，電荷的總量卻是恒定不變的。帶電實際上是正、負電之間的分離和轉換；而電荷的消失，實際上就是正負電荷的中和。
靜止電荷之間相互作用力遵循庫侖定律：在真空中兩個靜止點電荷之間作用力的大小與其電荷量之積成正比，與它們兩點之間距離的平方成反比。這種相互作用力是由電荷產生的電場相互作用而產生的。物質根據導電性能的不同可以劃分為導體和絕緣體，在導體中，存在可以移動的自由電荷，而在絕緣體中，只有束縛電荷。
靜磁學
靜磁學是研究電流穩恒時產生磁場以及磁場對電流作用力的學科。電流是電荷定向流動形成的。電流之間通過磁場相互作用，磁場傳遞電流在空間中產生磁場，并對電流施加作用力，產生磁感應強度。
電磁場
電磁場是研究隨時間變化下的電磁現象和規律的學科。當穿過閉導體線圈的磁通量發生變化時，線圈上產生感應電流，并根據楞次定律確定其方向。閉合線圈中的感應電流是感應電動勢推動的結果，感應電動勢遵從邁克爾·法拉第定律：閉合線圈上的感應電動勢的大小總是與穿過線圈的磁通量的時間變化率成正比。
詹姆斯·麥克斯韋在總結庫侖、高斯、歐姆、安德烈·安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的研究成果的基礎上，結合他自己提出的渦旋電場和位移電流的概念，構建了一套完備的電磁理論體系，提出了麥克斯韋方程組，深入、全面地揭示了電場和磁場之間的內在相互依存的關系，闡釋了電磁場是一個統一的不可分割的整體，將其與物質的介質方程、洛侖茲力公式以及電荷守恒定律有機地聯系在一起，可以從原則上解決各種宏觀電動力學問題。
在此基礎上麥克斯韋根據麥克斯韋方程從理論上得出電磁波存在的預言和光是電磁波的論斷。1888年赫茲用實驗證明了電磁波在空間的傳播，在此之后電磁波在無線電通訊中得到廣泛的應用，成為當代文明生活的重要組成部分。詹姆斯·麥克斯韋關于光是電磁波的論斷把電學、磁學和光學統一了起來，這一發展成為19世紀科學史重要的成就。
電路
電路由電子元器件或電子設備通過導線按照一定規則互連而成，通常以網狀形式呈現根據工作電流或電壓的不同，電路可分為直流電路和交流電路：以直流電壓或電流工作的電路叫直流電路，以交流電壓或電流工作的電路叫交流電路。
根據穩恒時電場的性質、導電基本規律以及電動勢的概念，可以推導出歐姆定律和基爾霍夫電路定律等與直流電路有關的應用規律。此外，還存在等效電源定理、疊加定理、倒易定理以及對偶定理等，能夠有效解決復雜電路問題的簡便定理，這些實用定律與定理共同構成了電路計算的理論基礎。
而交流電路要比直流電路更加復雜，由于電流的隨時間的變化導致了空間電場、磁場的改變，所以會產生電磁感應、位移電流，也會產生電磁波。
電磁效應
物質中的電磁效應是連接電學與其他物理學科（甚至非物理的學科）之間的紐帶。物質中的電效應種類繁多，有許多已成為或正逐漸發展為專門的研究領域。比如：電致伸縮、壓電效應、逆壓電效應、塞貝克效應、珀耳帖效應、威廉·湯姆森效應、熱敏電阻、光敏電阻和光生伏打效應等等。
這些電學效應的研究，不僅可以幫助我們理解物質的結構，更可以幫助我們更好地理解物質中發生的基本過程，同時，也可以作為能量轉化與無電化學測量的基礎。
電磁測量
電磁測量是電學的組成部分。測量技術的發展和學科理論的發展是密不可分的，理論的發展推動了測量技術的改進；測量技術的改善在新的基礎上證明論，并促成新理論的發現。
電磁測量包括所有電磁學量的測量，以及有關的其他量（交流電的頻率、相角等）的測量。各類特殊儀器（如電流表，伏特計，歐姆計，磁強計等）及測量電路，都是根據電磁學的基本原理進行設計制造的，它們可以滿足多種電磁學量的測量。
而非電量（長度、速度、形變、力、溫度、光強、成分等）的電學測量也是電磁測量的關鍵。其主要原理是利用電磁量與非電量相互聯系的某種效應，將非電量的測量轉換為電磁量的測量。電學測量因其準確度高、量程寬、慣量小、操作簡單、可遠程遙測和測量技術自動化等優勢而得到了不斷地發展。
相關物理量
對其他學科的意義
電學作為經典物理學的一個分支，在基本原理上已發展得相當完善，它可以用來解釋宏觀范圍內的各種電磁現象。
一方面，物質的結構是物質分子、原子層次的基本組成形式；電磁場是物質世界的重要組成部分，電磁作用是物質的基本相互作用之一；而電學過程又是自然界的基本過程。所以，電學在物理的各個方面都得到了廣泛的應用，是對物質過程的研究不可或缺的依據，此外，這也是研究化學和生物學等某些基元過程的重要依據。
另一方面，電與其他運動形式之間的相互轉換具有方便，傳遞迅速、準確，便于控制等優勢，因而在能源的合理開發、輸送和使用方面起著重要作用，使得人類能夠更廣泛、更有效、更方便地利用各種可利用的能源。電技術在實現機電控制和自動化、信息的傳遞與處理以及利用各種電效應實現非電量的電測方面也有著重要意義。
應用
電燈（電弧燈、白熾燈、 日光燈）
人類近十萬年以來，用篝火、火把驅走日落后的黑暗，直到約六千年前才出現燈光照明。歷史上記載最早用動、植物油點燈的是公元前四千年左右在埃及王室墓穴里。大約在公元前五百年，人們有用石蠟照明，隨后有用鯨油燭、蠟燭。到十八世紀初期開始用煤氣燈和煤油燈。
科學家們為了研究電力發光的嘗試，曾經歷了七、八十年的時間。1807年7月，英國戴維在皇家社用兩千個電池組作為電源，利用兩根不相接觸的碳極產生電弧，創制成碳極電弧燈，開始把電能應用于照明，直到1879年托馬斯·愛迪生發明白熾燈后，才被淘汰。日光燈于1939年誕生，是一種低壓汞燈，光色接近日光，光效達601m／W，壽命長達7000h左右。
電信（電報、電話）
美國莫爾斯（S.F.B.Morse，1791一1872）是有線電報的發明者。他于1837年研制成功世界上第一臺傳遞電碼的電磁式實用電報機——莫爾斯電報機，并且曾在紐約公開表演。美國的貝爾根據赫爾曼·馮·亥姆霍茲的聲學研究進行了實驗，于1876年發明了有線電話，在費城一百周年紀念展覽會上公開實驗。
無線電廣播和收音機
1920年11月，美國威斯汀豪斯電氣公司首次在匹茲堡建立廣播電臺KDKA，這是世界上第一座無線電廣播電臺。不到數年，歐、美各國廣播電臺如雨后春筍地建立起來。
在無線電收音機方面，美國物理學家范信達（R．A．Fes—senden）作出了重要的貢獻，他設計了一種系統來對無線電波進行“調制”，使高頻交流發射器能攜帶聲波信號。通過不斷實驗，終于在1906年圣誕節前夜，無線電收音機里首次傳出了音樂和說話的聲音。1918年，他又發明超外差式回路，為現代化無線電遠距離收聽的發展打下了基礎。
電影和電視
電影的發明，起源于美國醫生羅吉特（P.M.Roget），他在1824年最先觀察到視覺的暫留現象。成功創制成世界上第一部影片的是托馬斯·愛迪生，他使用長條形膠卷，拍攝下一連串影像，于1894年放映。
電視在出現前的技術發展過程約有半個世紀。1873年，英國約瑟夫梅發現光線照射到含（Se）的物體上有異?，F象。1897年，布朗展示了第一只陰極射線管，后來俄羅斯羅森將它利用到“電氣視象”中去。英國貝爾德（J．L．Baild）于1926年制成了第一臺簡易電視機，曾在倫敦皇家學院表演過，同年6月，這架電視機安放在一家人商店首次公演，轟動了全世界。
電子計算機
電子計算機是電的應用于人類文明的最新成果。它的出現雖然很晚，但技術更新神速，不到四十年已發展為第五代。
1946年2月15日，世界上第一臺電子計算機ENIAC在美國賓夕法尼亞大學宣告誕生，ENIAC中文譯做“電子數字積分式計算機”。研制小組由?？颂?、莫克利、戈爾斯坦和博克斯組成，總工程師?？颂禺敃r只有24歲。這臺計算機研制的初衷是將其用于第二次世界大戰中，但直到二戰結束一年后才完成。
五十年代中期第二代電子計算機問世，其基本電路采用晶體管，以1953年發明的磁芯為主存儲器，并出現了程序設計語言。六十年代初，大型晶體管計算機問世，運算速度提高到每秒數十萬次，1964年運算速度每秒二、三百萬次電子計算機宣告制成。
六十年代中期，出現采用集成電路（把晶體管、二極管、電阻、電容、電感等分立的元件做在一塊硅片上）的第三代電子計算機，它的體積，重量、功率消耗明顯減小，大大提高了可靠性，格價也大幅度下降。
到了七十年代，集成電路的集成度，提高到大規模、超大規模集成電路的水平，出現了第四代電子計算機。這一代計算機的邏輯、存儲元件集成度達到1000—10000個，計算機體積縮小了30萬倍，重量僅500克，電功率只需兩節電池。
八十年代初期，為了爭奪世界范圍內信息技術的制高點，各國展開了研制第五代計算機的激烈競爭。第五代計算機的研制推動了專家系統、知識工程、語言合成與語音識別、自然語言理解、自動推理和智能機器人等方面的研究，逐漸出現了生物計算機、光子計算機、超導計算機、量子計算機等。
參考資料 >