第三节　电与电场

电作为一种能源形式，已经渗透到人们日常生活、工作的方方面面。由人类用电历史可见，电的发现彻底改变了人类文明的进程；如果电的发现和使用是偶然的，是否存在可能“在人类发现电之前，发现了另一种能源形式可以取代电，人类文明就会走上另外一个完全不同的进程”，答案显然是否定的。电是人们生活的自然界中一种客观存在——例如自然界中的雷电现象等；电也是人体生理机能的一种客观构成——生物电。学习医学知识，特别是神经系统功能的学习离不开生物电，而理解生物电的原理必须学习基本的电学知识。

一、电现象与静电场

（一）电现象

人类对于电现象的研究始于对闪电和摩擦起电现象的观察：两种不同物质之间的摩擦产生静电；带有静电的物体可以互相吸引或者互相排斥；带有静电且互相吸引的物体接触后，会因“放电”而产生火花；物体放电后就不再带有静电。

自然界最常见的静电现象是闪电。闪电的本质是天空中的两片云，由于在空气中运动的不同，分别带有了性质不同的静电。当两片云接触时，两种静电瞬间“放电”而形成了闪电。闪电可以照亮夜空；闪电同时让空气产生剧烈震动产生巨大的雷声；闪电可以击毁树木和建筑物等。这些现象提示随着闪电伴有巨大的能量释放，这些能量是以静电的形式存在于物体中，即静电是具有能量的。

（二）电荷

带电物体因为所带“电荷”性质不同可相互吸引或排斥。电荷是电学中的最基本概念。电荷的性质有正、负之分，分别称为正电荷、负电荷。即带有正电荷的两个物体相互排斥，带有负电荷的两个物体同样相互排斥（同性相斥），分别带有正电荷和负电荷的两个物体之间互相吸引（异性相吸）。带电物体具有的能量大小由所带电荷量决定，衡量电荷量大小的单位为“库仑”，最小的电荷量为一个电子所带有的电荷量，其数值为1.6 × 10-19库仑。电荷量的数值为非连续的，以一个电子所带电荷量为单位间断变化，这就是所谓电荷的量子化性质。

在研究两个带电物体电荷相互作用时，认为带电物体的长度远小于两物体间距离，因物体形状带来的两电荷之间的影响可以忽略，即认为两物体满足“点电荷”的条件。

（三）静电场

一个电荷在空间形成电场，将另一个电荷置于其中，两个电荷将发生相互作用，无论是吸引或排斥，总是通过力实现，这个力称为电场力。第二个电荷在第一个电荷的电场中所受电场力的大小与两个电荷的所带电荷量成正比（电荷量越大受力越大）、与二者距离成反比（距离越远受力越小）。电场可量化表达为电场强度，简称为场强，场强既有大小也有方向，故为矢量，定义单位正电荷在电场中任意一点所受电场力为该点场强，方向为正电荷所受力的方向。

在带电物体的长度不可忽略时，可以形成“面电荷”，面电荷具有与点电荷类似的电场。

电学研究通常用电力线形象、直观地描绘电场。图2-7显示了点电荷与面电荷的典型电场结构。

（四）电势能

静电场通过电场力能够使置于其中的可移动电荷发生位移，即电场力可以做功，称为电场具有电势能。电势能与人们熟悉的重力势能类似：一个物体所具有的重力势能大小既与物体所处位置有关，也与物体本身质量有关；一个电荷所具有的电势能既与所处电场有关，也与可移动电荷本身电荷量有关。与研究重力势能需要规定一个重力势能为零的参考点一样，电场也需要一个电势能为零的点作为参考点，定义为距离产生电场的源电荷无穷远处零电势点。

（五）电势与电势差

电荷在电场中具有的电势能与电荷本身的量有关，不能反映电场本身的性质。电场力把单位正电荷从电场中某点移动到无穷远所做的功为电势，即单位正电荷在该点所具有的电势能，也就是电势能与电荷量的比值。电势与电场中电荷本身的量值无关，客观反映了电场本身的性质。电势只有大小、没有方向，为标量，单位为伏特（用V表示）。电场中两点之间电势大小的差值称为两点间电势差，单位也是伏特，数值的本质为电场力将单位正电荷从一点移动到另一点所做的功。如图2-7e所示。

（六）小结

电的本源为电荷，电荷分为正负的特点决定神经电生理设备的基本工作原理和所记录波形分析的理论基础。

二、偶极子

电本质上是一种能量形式。能量守恒定律指明自然界的能量既不能创造、也不会消失，只能从一种能量转化为另一种能量，或者从一个物体传递给另一个物体。电荷同样守恒：电荷既不能创造、也不会消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或者将电势能转化为别的能量形式。生物体内的电荷也可以正负电荷分别存在，但总体的电荷量正负相等，对外界不呈现带电性。冬季穿脱衣服摩擦产生的静电，是人体带有过多单种电荷表现，相反的电荷在衣服上，二者电量相等；电鳗等动物可对外放电的现象有其能量转换、储备、释放机制，与电荷守恒并不矛盾。

（一）电偶极子

两个相距足够近的、分别带有等量正电荷和负电荷的点电荷组成的系统称为电偶极子，简称为电偶。

衡量电偶大小的量为电矩。电矩为矢量，其方向为从负电荷至正电荷连线的方向，大小为单个电荷量与两电荷间距离的乘积。位于电偶电场中的某一点，其电势受正负电荷共同影响，且与该点至电矩中点连线与电矩矢量的夹角有关，夹角为90°垂直于电矩、位于电矩中点的面上，电势能为零。有多个电偶时，空间某点的电势遵循电矩矢量叠加的规律。多个相邻电偶电矩的矢量和形成一个等效电偶。神经电生理检测许多项目记录到的波形本质上就是这个等效电偶电场中某个点电势对于时间变化的函数。

（二）电偶层

相邻很近的两个带有等量、符号相反电荷的平行平面组成的系统称为电偶层。在电偶层系统中，带正电荷的平面电势最高，带负电荷的平面电势最低，两平面中央的平行平面处电势为零。开放的电偶层周围任一点的电势取决于该点与电偶层的立体张角，与电偶层的形状无关；闭合曲面的电偶层因电场被限制在两层电荷之间，在其周围远处电势为零。

生物体内的神经细胞膜和肌细胞膜，在静息状态下形成闭合的电偶层。

三、电介质与导电体

关于电荷、电偶及其电场、电势的讨论中，为消除电荷所处环境的影响，默认电荷位于真空中。除了在外太空和人为制造的真空环境，人们生活的自然界中电荷总是依附于某种物质，在电荷之间也总是有某种物质存在，即使没有有形物质，也有空气存在。存在于电荷之间的物质，由于结构性质不同可分为电介质和电导体。

构成物质的是分子，分子由原子组成，原子又可分原子核与电子。电子在不同原子核外部受原子核引力大小不同，受引力较大的电子被束缚在原子内部，受引力小的电子可以脱离原子核自由运动，称为自由电子。一种物质中，自由电子的多少决定其导电性。

（一）电介质

不导电的物质就是电介质，又称绝缘介质（绝缘体），其本质即物质内部没有或仅有极少量自由电子。

电介质可以带电荷，例如用丝绸摩擦塑料棒，塑料棒可吸附碎纸屑，但塑料棒本身并不导电。电介质由于其分子结构不同又分有极分子电介质和无极分子电介质，前者如水（H2O），后者如惰性气体氦（He）、氖（Ne）等。

（二）导电体

导电体简称导体，此类物质具有大量自由电子，如金属银、铜、铝等均为良好的导体。导体的导电能力称为导电率，导电率较低的物体如电介质，也称为不良导体。自由电子带负电荷，在外电场的作用下，总是向电势较高的方向运动产生电流。所以导体不能积累电荷形成静电。

纯水（H2O）中，氢（H）原子核与氧（O）原子核对电子的束缚力均很大，所以纯水为电介质、不良导体，生活、工作中导电的“水”是纯水中加入了其他带电粒子，例如钾离子K+、钠离子Na+、氯离子Cl-等，这些加入了带电离子的纯水称为电解质。外电场施加于电解质，电解质中带电的正负离子分别向电势较低和电势较高处运动形成电流，这就是电解质导电的原理，电解质同样不能形成静电。

人体之于电，是一个奇妙复杂的结构：既有各种蛋白质膜形成的电介质，又有各种体液形成的电解质。所以人体既可以整体表现为电的良好导体，又可以局部表现为不良导体（电介质）。正是这些特性保证了电信号在人体内的正确传播。