科學：小學教師指南/電和磁
電力照亮我們的家，烹飪我們的食物，為我們的電腦、電視機和其他電子裝置供電。我們每天都在與電力互動，但可能並不理解我們在開啟電視或接聽電話時發生了什麼。本章解釋了與電磁力相關的各種概念，包括靜電、電流、電路以及利用磁鐵發電。
所有物質都是由原子構成的，原子是由更小的粒子構成的。構成原子的三個主要粒子是質子、中子和電子。電子處於不斷運動狀態，圍繞每個原子的中心（原子核）旋轉。原子核由中子和質子構成。電子帶負電，質子帶正電（中子是中性的 - 它們既不帶正電也不帶負電）。我們電器中使用的電力是電子流的受控流動，或稱為電流。例如，在銅線上，可以透過對導線施加電荷（電壓）來迫使電子從一個原子轉移到另一個原子。例如，當這些電子透過燈泡時，電壓的勢能可以轉化為另一種形式的能量，如光或熱。這裡有一個關於電力的很好的課程的外部連結。此外，如果你想知道伏特、瓦特和安培之間的區別，這裡有一個很好的解釋。
靜電是物體表面電荷的積累。它被稱為“靜電”，因為電荷在一段時間內停留在一個區域，而不是移動或“流動”到另一個區域。我們每天都會看到靜電，它甚至會積累在我們身上。例如，當我們在地毯上摩擦我們的腳時，我們會收集靜電荷。然後，當我們電擊某物（或某人）時，我們就釋放了靜電荷（它在短時間內成為電流）。我們還會看到，當我們的頭髮帶電並豎起來，或者當我們的褲腿無論我們怎麼嘗試都一直粘在腿上時。另一種看待靜電的方式是兩個物體之間的電荷差異，這兩個物體被絕緣體（如空氣）隔開。當積累的電荷足夠多，或者物體彼此足夠靠近時，靜電就會快速放電，產生火花。汽車的火花塞可以每秒產生數千次火花，如這個影片所示。
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那麼，靜電究竟是什麼呢？
在我們研究原子時，我們瞭解到原子是由中子、質子和電子構成的。電子繞著外面旋轉。當兩個表面相互接觸時，電子從一個物體轉移到另一個物體，就會形成靜電荷。一個物體將帶正電荷，另一個物體將帶負電荷。快速摩擦這些物體，比如你快速摩擦氣球在某物上或你的腳在地毯上，會積聚大量的電荷。帶不同電荷（正負）的物體將會互相吸引，而帶相同電荷（正正）的物體將會互相排斥。有點像磁鐵。
閃電
當雲層移動時，小冰粒會相互碰撞，產生靜電。雲層的整個區域開始積聚電荷（通常底部為負，頂部為正）。當負極區域和正極區域之間的吸引力足夠強時，它就會克服空氣的絕緣作用，並以爆炸性的閃電形式放電！大多數閃電是雲對雲或雲內閃電，但云層底部的巨大負電荷會排斥地球表面的電子，在地球下方形成一個整體正電荷 - 因此閃電可以從雲層傳播到地面，走著最小的阻力路線。雲對地閃電只佔我們看到的閃電總數的約 20%，但這是我們擔心的，因為它很危險（閃電的溫度約為太陽表面的 6 倍，攜帶 5,000 到 50,000 安培的電流，電壓為數千伏）。據估計，在任何時刻，世界上都有 2,000 場雷暴，大約每秒有 100 道閃電擊中地球上的某個地方。一場大型雷暴攜帶的電勢足夠大，相當於美國在 20 分鐘內使用過的所有電力！雷聲是由閃電周圍的空氣瞬間加熱產生的超音速衝擊波。由於聲音的傳播速度遠低於光速，所以我們先看到閃電，然後聽到雷聲（除非我們離得很近）。聲音傳播 1 英里大約需要 5 秒鐘，因此計算閃電閃光和雷聲轟鳴之間的時間，然後除以 5，就可以得到與閃電的距離。
關於靜電實驗的影片，適合學生觀看
庫侖定律指出：兩個點電荷之間靜電相互作用力的量級與電荷量級的標量乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比。
吸引和排斥是什麼？
- 異性電荷互相吸引 (+) (-)
- 同性電荷互相排斥 (+) (+) 或 (-) (-)
這意味著兩個帶正電荷的物體將會互相排斥，而兩個帶負電荷的物體將會互相排斥。一個帶正電荷的物體和一個帶負電荷的物體將會互相吸引。帶電物體之間的距離越遠，吸引力和排斥力就越弱。
你可以使用金箔驗電器來顯示物體是否帶電。
電流是電荷的流動。我們所有的電子裝置都依賴於電子在路徑或電路中持續流動。在電路中，這種電荷幾乎總是由銅線中的移動電子攜帶。它也可以由電解質中的離子（如電池中）或由離子與電子共同攜帶（如等離子體中）。如果電路中存在間隙或絕緣體，我們稱之為“開路”，電子無法流動。一旦電路閉合（例如，透過翻轉開關），電子將再次流動。電流電力的例子包括給手機充電或使用它、開啟燈光、在電爐上烹飪、啟動汽車、玩電子遊戲等等。
電力是與電荷存在和流動相關的物理現象集合。電力產生了許多眾所周知的效應，如閃電、靜電、電磁感應和電流。此外，電力允許建立和接收電磁輻射，如無線電波。在電力中，電荷會產生電磁場，電磁場作用於其他電荷。電力是由於幾種型別的物理學產生的
電荷：某些亞原子粒子的性質，決定了它們的電磁相互作用。帶電物質受電磁場的影響併產生電磁場，電荷可以是正的或負的。
電場（見靜電學）：電荷周圍存在電場。電場對其他電荷產生力。電場變化以光速傳播。
電勢：電場對電荷做功的能力，通常以伏特為單位測量。
電流：帶電粒子的運動或流動，通常以安培為單位測量。
電磁體：移動的電荷會產生磁場。電流會產生磁場，變化的磁場會產生電流。這裡有一個關於如何大規模發電的教程：http://americanhistory.si.edu/powering/generate/gnmain.htm
電子可以被驅動從一個原子移動到另一個原子。當電子在物質的原子之間移動時，就會產生電流。這就是在金屬導線中發生的事情。電子從一個原子傳遞到另一個原子，從而在兩端之間產生電流。某些物質比其他物質更容易導電。電阻測量了物質導電的程度。有些物質非常緊密地抓住它們的電子。電子不容易透過它們移動。這些物質被稱為絕緣體。橡膠、塑膠、布料、玻璃和乾燥的空氣是良好的絕緣體，具有非常高的電阻。
電力必須有一條從電源到用電器的完整路徑。如果這條路徑斷開，電路就不完整。不完整的電路稱為開路電路。除非電路完整，否則電力無法流動。完整的電路稱為閉合電路。
串聯連線，燈泡以一種電流必須先透過一個燈泡才能到達下一個燈泡的方式連線。並聯連線，每個燈泡都獨立於其他燈泡接收電流。 http://www1.curriculum.edu.au/sciencepd/electricity/images/elec_ill76.gif
這裡有一個關於串聯電路和並聯電路的連結：https://learn.sparkfun.com/tutorials/series-and-parallel-circuits
有四種眾所周知的強磁性材料
- 鐵
- 鋼
- 鎳
- 鈷
被磁鐵吸引的物體通常包含上述四種材料中的一種或多種。
磁鐵可以是天然的也可以是人工製造的。天然磁鐵通常被稱為磁石。人工製造的磁鐵是用特殊的材料組合製成的，但必須包含其中一種磁性材料。鋁經常被包括在內，因為它重量輕但仍然非常有效。你可以透過用硬物（如錘子）敲擊磁鐵或將其掉落在硬表面（如混凝土）上來削弱磁鐵。極度高溫，例如火炬，可以有效地使永磁鐵退磁。
當一個磁鐵的北極靠近另一個磁鐵的南極時，它們相互吸引。如果它們被放在一起，它們就會相互排斥。
導體和絕緣體
允許電子流過的材料稱為導體。阻礙電子流動的其他材料稱為絕緣體。在使用電流時，兩者都是必需的。一些良好的導體是銅、銀、鋁、鐵和大多數金屬。一些良好的絕緣體是玻璃、橡膠、木材和乾燥的空氣。
磁鐵在兩極最強。磁力線從兩極向各個方向延伸，它們佔據的空間稱為磁場。例如，當把一張卡片或一塊玻璃放在磁鐵上，並在卡片上撒上鐵屑時。
在日常生活中可能遇到的正磁場的例子包括：電視機、電腦、手機、鬧鐘、馬達、辦公裝置、電線、微波爐、電熱毯、電線、無線電和手機塔、熒光燈、智慧電錶、Wi-Fi
- 地球作為一個磁鐵
- 指南針
由一小塊磁性材料組成，懸掛在一個允許它自由旋轉的地方。
可以用來檢測任何磁鐵（包括地球）的南北極。
- 避免敲擊或掉落它們
- 遠離高溫
- 妥善存放它們
- 幫助它們保持磁性
帶電物體的行為取決於它是由導電材料還是非導電材料製成。導體是允許電子從一個粒子自由地流向另一個粒子的材料。由導電材料製成的物體將允許電荷在整個物體表面上傳輸。如果在特定位置將電荷轉移到物體上，則該電荷會迅速分佈到整個物體表面。電荷的分佈是電子運動的結果。由於導體允許電子從一個粒子傳輸到另一個粒子，所以帶電物體將始終分佈其電荷，直到多餘電子之間的總排斥力最小化。如果將帶電導體接觸到另一個物體，則導體甚至可以將其電荷轉移到該物體上。如果第二個物體是由導電材料製成，則物體之間電荷的轉移會更容易發生。導體允許透過電子的自由運動來轉移電荷。
與導體相反，絕緣體是阻礙電子從原子到原子以及從分子到分子自由流動的材料。如果在特定位置將電荷轉移到絕緣體上，則多餘的電荷將保留在初始充電位置。絕緣體的粒子不允許電子自由流動；因此，電荷很少均勻地分佈在絕緣體的表面。
雖然絕緣體不適合轉移電荷，但它們在靜電實驗和演示中起著至關重要的作用。
為了使電流流動，電源（電池、電源插座等）的負極和正極之間必須存在連續的導電路徑。斷開的導線或“開路”（關閉）開關都會在電路中留下間隙，阻止電子從電源一側流向另一側。因此，電子不會流動。這種情況稱為開路電路。
閉合（開啟）開關意味著透過開關的電路是連線的。因此，你有一個閉合電路（一個沒有間隙的電路）。電流從電源的正極（例如，電池）流向連線到電路中的負載（燈泡、風扇等），然後回到電源的負極。
試試這個快速測驗，測試你透過閱讀本章學到的知識！
質子是一種帶正電的亞原子粒子，位於原子核內。原子核中質子的數量決定了元素的原子序數。
電子是一種帶負電的亞原子粒子。它可以是自由的（不與任何原子結合），也可以與原子核結合。